3D 纤维缠绕使汽车座椅概念成为可能

可持续性和环境责任正成为汽车行业技术趋势的日益普遍的驱动因素。低能耗和低排放车辆已成为国际汽车行业的优先事项，电动汽车和城市空中交通 (UAM) 等替代交通技术的趋势正在获得动力。原始设备制造商正在寻求新兴材料和工艺作为这些未来出行方式的推动因素，但汽车行业的变化往往进展缓慢。要完全采用新材料和新工艺，它们不仅必须合格，还必须具有成本效益，并且必须能够实现大批量生产。

超轻座椅。 Ultra Leichtbausitz (ULBS) 座椅概念是通过多家公司之间使用多种技术的合作开发的。来源 | csi entwicklungstechnik

最近，一个对汽车行业以及超级跑车和空中出租车等新兴市场具有潜力的创新项目展示了新材料、流程和技术以及公司之间的密切合作可能如何实现下一代交通方式。该项目的目标是使用尖端的生成技术彻底重新思考汽车座椅，并在正确的位置仅使用尽可能多的正确材料——和 以快速产生结果。通过仿真驱动的设计方法、敏捷的项目管理方法以及相关公司之间的密切合作和系统集成，最终开发出超轻型金属复合材料混合动力汽车座椅原型，从设计到制造，仅用了七个月的时间。

打造更好的座位

Ultraleichtbausitz (ULBS) 超轻型座椅可行性研究是通过多个公司之间的合作使用技术组合开发的。用集团的话说，该项目的愿景是“创造一个超轻量级座椅概念，在重量优化方面在市场上表现出色。”发起公司 csi entwicklungstechnik GmbH（csi，Neckarsulm，德国）、Alba Tooling &Engineering（Forstau，奥地利）和汽车管理咨询公司（AMC，Penzberg，德国）与 Covestro（德国勒沃库森）、LBK Fertigung 合作开发了原型座椅概念（Friedberg，德国）、Robert Hofmann（Lichtenfels，德国）和 3D|CORE（Herford，德国）。

合作项目产生了一个重量略高于 10 公斤的座椅原型，其中包括坐垫、结构框架、功能性插件和座椅控制台，可以将其安装到车辆上。该座椅比市场上类似的轻型座椅轻 20%，其中许多是售后座椅。据 ULBS 项目负责人、CSI 负责轻量化设计的 Stefan Herrmann 介绍，目前市场上还没有重量低于 12 公斤的竞争座椅。

“然而，直接比较通常不是苹果对苹果的比较，因为售后座椅在重量定义中通常不包括座椅控制台，”Herrmann 说，“此外，ULBS 的座椅舒适度比带有相似的重量。现有的座椅往往是斗式座椅，重量更轻但不太舒服，或者传统的超级运动座椅，重量要高得多。”

ULBS 具有多项创新技术，其中基于 3D 工艺技术 xFK 的纤维粗纱骨架结构发挥了最突出的作用。 （有关 3D 和其他长丝缠绕技术中的 xFK 的更多信息，请参阅“重新发明的长丝缠绕”。）屡获殊荣的无头纤维粗纱沉积技术的根本重要性在于其设计自由、模拟驱动和材料-精确地在载荷方向以及在简单、经济且无浪费的纤维材料应用中优化纤维放置。对于该框架结构中的负载转移，已使用 3D 打印部件。在负载最高的区域，例如靠背配件，座椅采用了由高强度高模量不锈钢制成的 3D 打印结构。在负载较小的区域，使用铝3D打印。

csi entwicklungstechnik 是一家专门从事白车身 (BIW) 结构以及汽车内饰和外饰的工程公司，业务领域包括碳纤维增强聚合物 (CFRP) 和增材制造，根据由 AMC 发起的想法。 csi为该项目提供造型、曲面、概念、模拟、设计工程和项目管理。

Herrmann 解释说：“csi 负责数字流程链领域的工作包——造型、工程设计、曲面设计、CAE 模拟、拓扑模拟、验证模拟和项目的虚拟确认。”

他强调，使 ULBS 项目引人注目的不仅是创新材料和制造方法的使用，还在于通过合作伙伴之间的密切合作，在短短七个月的时间内开发了一个包含新组件设计的复杂零件。

纤维缠绕式座椅框架。 ULBS 项目的大部分重量减轻都源于 AMC 的 3D 纤维缠绕工艺技术 xFK。来源 | csi entwicklungstechnik

缠绕框架

ULBS 项目的大部分重量减轻源于 AMC 的 xFK in 3D，这是一种高度灵活、可配置、具有成本效益且可持续的缠绕组件纤维复合技术。

3D 中的 xFK 已用于各种行业和细分市场的各种产品和应用。西格里集团德国威斯巴登）在国际复合材料展 JEC World 2018 上展示了几款通过该技术制造的汽车和自行车零件。其中展示的零件之一是 AMC 开发的碳纤维自行车链环，据说重量减轻了 70%与铝制版本相比。

绕组衬套。 热固性树脂浸渍纤维粗纱缠绕在定位夹具上，允许纤维排列以匹配每个部件的负载和所需的功能。来源 | csi entwicklungstechnik

3D 工艺中的 xFK 使用热固性树脂浸渍的连续纤维以无浪费的方式缠绕承重结构。用环氧树脂浸透的纤维粗纱缠绕在定位夹具或缠绕套管上，允许专门排列纤维以匹配每个部件的负载和所需的功能。

“xFK 在 3D 中的一个主要好处是消除了结构中有关载荷传递和载荷引入的弱点，”Herrmann 说。他解释说，薄弱点通常不在结构的连续体中，而是在将载荷引入结构的区域，尤其是相邻组件连接到结构的区域。 3D 技术中的 xFK 支持跨连接传递负载，并允许根据所需的组件功能和负载情况对齐光纤，并在三个维度上制造。

纤维缠绕工艺也带来了额外的好处。该工艺有助于最大限度地减少材料浪费 - 浪费的纤维粗纱不到 1%。

csi 认可 xFK 的 3D 优势，并在 AMC 技术主管 Clause Georg Bayreuther 博士的咨询下设计了 ULBS 座椅框架。

“与 csi 工程师、AMC 顾问和 Alba 的模具专家合作，开发了这种概念和结构，用于使用 xFK 在 3D 工艺中制造的座椅框架，”技术顾问和 xFK in 3D 技术发起人 Peter Fassbaender 说。

Alba 为 CFRP 座椅框架制造了工具并提供了工程支持。此外，虽然座椅骨架是由碳纤维缠绕而成，但天然纤维或玄武岩纤维也是不错的选择。

新技术。 ULBS 原型结合了新技术，包括由层内加强芯 (IRC) 材料制成的背板外壳和由热塑性聚氨酯 (TPU) 制成的 3D 打印座椅靠背垫。来源 | csi entwicklungstechnik

一种混合材料结构

除了框架之外，ULBS 原型还包括其他几项新的创新。提供模具的 Alba 还为座椅的泡沫体提供模具、工程和制造，并执行座椅的组装。纤维羊毛垫覆盖座椅的 CFRP 框架，然后由 3D 打印的 PUR 泡沫覆盖物覆盖。座垫区域由传统泡沫制成。

通过在座椅靠背的背板外壳结构中使用 3D|CORE，一种层内加强芯 (IRC) 材料，进一步减轻了重量。该材料是一种层内增强芯 (IRC) 材料 — 一种结构夹心芯，包括以集成蜂窝图案的挤出聚苯乙烯 (XPS) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 泡沫芯体。在复合材料部件的生产过程中，蜂窝状结构填充树脂，具有很高的层内强度。 3D|Core 组装在两层玻璃纤维之间以创建预制件，使用真空辅助树脂传递成型 (VA-RTM) 将热塑性环氧树脂注入该预制件中。

科思创提供其 Dispercoll 粘合剂作为纤维羊毛垫以及 3D 打印靠背垫的粘合剂。 Herrmann 表示，Dispercoll 的机械性能提供了良好的耐磨性，这很重要，因为垫子和框架之间的表面接触会使羊毛随着时间的推移而磨损。

“如果你有一根单纤维粗纱，当你把它放入纺织品中时，你会在坚硬的 CFRP 部件和羊毛垫之间产生微运动。座椅框架组件可能会与纺织品摩擦并损坏它，”Herrmann 解释说。

传统座椅通常具有更大的支撑缓冲的表面积，并且不存在此问题。但是，xFK in 3D，由于框架结构，接触表面积较小。

“当 3D 结构中的 xFK 推挤起绒织物时，您必须有一个特定且耐用的活页夹；这就是 Dispercoll 在这种情况下所提供的，”Herrmann 补充道。

科思创还提供了据称是世界上第一个 3D 打印的坐垫。虽然传统和模具密集型泡沫通常用于座椅靠背，但使用由 TPU（热塑性聚氨酯）制成的 3D 打印座椅靠背垫，进一步提高了 ULBS 座椅在美学方面的灵活性和适应性，功能集成选项和舒适度。

未来的座位

ULBS 项目实现了几个目标。由此产生的概念虽然尚未上市，但有可能服务于众多利基市场，例如超级跑车、空中出租车、超轻型车辆、微型交通工具、直升机、多旋翼飞机 和航空。虽然不可否认，ULBS 比量产汽车座椅贵，但它展示了多种技术，可以最大限度地减少浪费，从而降低材料成本。与其他碳纤维技术相比，3D 中的 xFK 产生的废物量非常低。事实上，整个项目旨在使用最少的资源和必要的最少材料。 ULBS 还提供了在框架结构、靠垫和纺织品中使用可再生和可持续资源的可能性，例如天然纤维。

但更重要的是，该项目展示了公司如何通过简短而灵活的协调程序共同努力，最大限度地缩短上市时间。这也是使用设计思维通过关注功能要求并展望未来应用和可持续发展目标，成功地将产品从创意变成硬件原型的一个很好的例子。