比同类产品轻20% 3D纤维缠绕实现汽车座椅概念
来源:PT现代塑料 2020-03-30 09:44:30
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文章关键词: 3D纤维缠绕 汽车座椅原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-9280.html 中国复材展公众号曾于2019年5月报道过德国与奥地利两国的7家公司采用三维缠绕工艺,联合研发出重量仅10kg的碳纤维超轻量座椅的消息。今天,小编带您详细了解一下这款新型座椅的联合开发单位及其提供的创新技术。
打造更好的座椅
该项目采用一种组合技术,开展了Ultra leichtbausitz(简称ULBS)超轻座椅的可行性研究。项目的愿景是创造一种超轻座椅概念,以在重量优化方面引领市场。该合作项目最终开发出的座椅原型重量略高于10kg,含坐垫、结构框架、功能嵌件和座椅控制等,这使其便于安装到汽车上。该座椅比市场上的同类轻量化座椅轻20%。
作为发起公司的csi entwicklungstechnik GmbH(简称csi)、Alba Tooling & Engineering(简称Alba)和Automotive Management Consulting(简称AMC),与科思创、LBK Fertigung、Robert Hofmann和3D|CORE合作,开发了这种原型座椅概念。其中,专业生产汽车白车身结构以及汽车内外饰、并涉足碳纤维增强聚合物(CFRP)和增材制造的工程公司csi,负责该项目的监管和协调。,以及数字处理链领域中的工作包,包括该项目的造型、工程设计、表面设计、CAE仿真、拓扑仿真、验证仿真和虚拟确认。
AMC公司的xFK in 3D技术
ULBS项目采用了几项创新技术,AMC公司基于xFK in 3D工艺技术的纤维粗纱骨架结构发挥了最重要的作用。这是一种适用于缠绕部件的高灵活、可配置、低成本且可持续的纤维复合材料技术,已在众多行业和众多市场领域的多种产品中得到应用。
xFK in 3D工艺采用热固性树脂浸渍的连续纤维,以无废料的方式缠绕承载结构。由环氧树脂浸透的纤维粗纱被缠绕在固定装置或缠绕套管上,使纤维得到特殊排列,以便与每个部件的负载和所需功能相匹配。
“xFK in 3D的一个重要优势是,在载荷转移以及向结构中引入载荷时消除了薄弱点。”Herrmann解释道,“薄弱点通常不是出现在结构的连续体中,而是出现在结构中引入载荷的区域,特别是相邻部件与结构相连接的地方。xFK in 3D技术支持跨连接的载荷转移,允许纤维根据所需的部件功能和负载情况进行排列,并按三维方式制造。”
纤维缠绕工艺还会带来其他好处——它有助于最大程度地减少材料浪费,浪费的纤维粗纱不到1%。
因此,该技术的根本优势可概括为:
- 设计自由度高;
- 能够通过仿真和材料优化,沿载荷方向准确铺放纤维;
- 能够简单、低成本且无浪费地应用纤维材料。
在载荷最大的区域,针对框架结构中的载荷转移问题,采用了高强度、高模量的不锈钢3D打印部件;而在较低载荷区域,采用了铝合金3D打印部件。
虽然该座椅骨架是由碳纤维缠绕而成,但天然纤维和玄武岩纤维也是很好的选择。
Alba公司的座椅骨架模具及工装
Alba制造了用于生产CFRP座椅骨架的模具,及座椅泡沫体的工装、工程和制造支持,并对座椅进行了组装。一种纤维绒垫覆盖在座椅的CFRP骨架上,然后再覆盖上3D打印的PUR泡沫,坐垫则由传统泡沫材料制成。
3D|CORE公司的层内增强芯
通过在座椅靠背的背板壳结构中应用3D|CORE技术,进一步减轻了重量。3D|CORE是一种层内增强芯(简称IRC)材料,即以整体蜂窝形式存在的一种含挤出聚苯乙烯(XPS)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫芯体的结构夹层芯。在复合材料部件的生产过程中,该蜂窝结构由树脂填充,从而带来了极高的层内强度。
将3D|Core放在两层玻璃纤维之间,创造出一个预成型件,然后采用真空辅助树脂传递模塑成型(VA-RTM)工艺对其灌注热塑性环氧树脂。
科思创的粘合剂
科思创提供了其Dispercoll粘合剂,以用与纤维绒垫和3D打印靠垫间的粘接。Herrmann介绍说,Dispercoll粘合剂的力学性能确保了良好的耐磨性,这非常重要,因为垫子与骨架之间的表面接触,会引起绒垫磨损。
“如果你有单根纤维粗纱,当你把它放入织物中时,会导致硬的CFRP部件与绒垫之间产生微小移动,从而使座椅骨架部件与织物之间产生摩擦,最终破坏织物。”Herrmann解释道。
传统的座椅通常有较大的表面积用来支撑软垫,但采用xFK in 3D技术制成的骨架结构,接触表面积却较小。
“当xFK in 3D结构推动抓绒织物时,必须要采用一种特殊且耐用的粘合剂,而这正是Dispercoll粘合剂所能提供的性能。”Herrmann补充道。
科思创还提供了据说是世界上第一个3D打印的软垫。虽然传统的座椅靠背通常采用的是由模具成型的泡沫,但就美观性、功能集成性和舒适性而言,由TPU制成的3D打印座椅靠垫,进一步提高了ULBS座椅的灵活性和适应性。
未来的座椅
ULBS项目实现了几大目标。由该项目产生的概念,虽然尚未走向市场,却具有服务于超级跑车、空中出租车、超轻车辆、微型移动车辆、直升机、多翼飞机和航空等众多小众市场的潜力。
不可否认,虽然比量产
汽车座椅更贵,但ULBS项目却验证了几项减少浪费从而降低材料成本的技术。与其它碳纤维技术相比,xFK in 3D产生的浪费极低。ULBS还提供了采用可再生、可持续资源的可能性,比如在骨架结构、靠垫和织物中使用天然纤维。
更重要的是,该项目证明了企业之间如何通过短期灵活协作来缩短新产品的上市时间。这也是采用设计思维,通过关注功能要求以及展望未来应用和可持续发展目标而成功地将产品从概念转变成硬件原型的一个很好的例子。
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