3D 缠绕技术革新车辆座椅制造

可持续性和环保责任正成为汽车行业技术趋势的主要驱动力。低能耗、低排放车辆已成国际汽车界优先事项，电动出行和城市空中交通（UAM）等替代交通技术趋势势头增强。OEM 寻求新兴材料和工艺作为这些前瞻出行模式的赋能者，但汽车行业变革往往缓慢。新材料和工艺要被全面采用，不仅需通过认证，还须具备成本效益和大批量生产能力。

最近，一个极具汽车行业潜力的创新项目——同样适用于超级跑车和空中出租车等新兴市场——展示了新材料、工艺技术及企业间紧密协作如何赋能下一代交通模式。项目目标是利用尖端生成技术彻底重新思考汽车座椅，仅在需要的位置使用恰到好处的材料，并快速产出成果。由此诞生的超轻量金属-复合混合车辆座椅原型，从设计到制造仅耗时七个月，采用仿真驱动设计、敏捷项目管理及企业间紧密协作与系统集成。

打造更优座椅

超轻量座椅（ULBS）可行性研究由多家公司协作、多种技术结合完成。项目愿景用项目组的话说是“创造市场上在重量优化方面杰出的超轻量座椅概念。”发起企业 csi entwicklungstechnik GmbH（csi，德国内卡苏尔姆）、Alba Tooling & Engineering（奥地利福施陶）和 Automotive Management Consulting（AMC，德国彭茨贝格）与 Covestro（德国勒沃库森）、LBK Fertigung（德国弗里德贝格）、Robert Hofmann（德国利希滕费尔斯）和 3D|CORE（德国黑尔福德）协作开发原型座椅概念。

协作项目产出座椅原型重量略超 10 公斤，含坐垫、结构框架、功能嵌件和安装座椅的座椅控制台。比市场同类轻量座椅轻 20%，许多竞品为售后市场座椅。据 ULBS 项目负责人、CSI 轻量化设计负责人 Stefan Herrmann 介绍，目前市场上无竞品座椅重量低于 12 公斤。

“但直接对比往往非苹果对苹果，因为售后座椅重量定义常不含座椅控制台，”Herrmann 说，“且 ULBS 座椅舒适度远超同重量座椅。现有座椅多为桶椅，虽更轻但不舒适，或传统超级运动座椅，重量大得多。”

ULBS 集成多项创新技术，其中基于 xFK in 3D 工艺技术的纤维粗纱骨架结构最为关键。（详见“缠绕成型重塑”了解 xFK in 3D 及其他缠绕技术。）该获奖技术对连续纤维粗纱沉积的根本价值在于设计自由度、仿真驱动和材料优化的沿载荷方向精准铺放，以及纤维材料简单、成本高效、零浪费应用。框架结构载荷传递采用 3D 打印件。最高载荷区域如靠背安装点，采用高强度、高模量不锈钢 3D 打印结构；较低载荷区域采用铝 3D 打印。

csi entwicklungstechnik 专注于车身白车身（BIW）结构、汽车内外饰工程，业务涵盖碳纤维增强聚合物（CFRP）和增材制造，基于 AMC 发起的理念统筹协调项目。csi 负责造型、曲面、概念、仿真、设计工程和项目管理。

Herrmann 解释：“csi 负责数字化流程链领域工作包——造型、工程设计、曲面设计、CAE 仿真、拓扑仿真、验证仿真和项目虚拟确认。”

他强调，ULBS 项目值得关注的不仅是创新材料和制造方法的应用，更在于通过合作伙伴间紧密协作，在短短七个月内开发出包含新组件设计的复杂部件。

缠绕车架

ULBS 项目减重主要得益于 AMC 的 xFK in 3D 缠绕工艺技术，这是一种高度灵活、可配置、成本效益高且可持续的纤维复合材料缠绕制造技术。

xFK in 3D 已用于各行业各细分市场的多种产品和应用。SGL Group（德国威斯巴登）在国际复合材料展 JEC World 2018 展出多款采用此技术制造的汽车和自行车部件。其中一款由 AMC 开发的碳纤维自行车链轮，据称比铝版减重高达 70%。

xFK in 3D 工艺以零浪费方式利用热固性树脂浸渍连续纤维缠绕承载结构。环氧树脂浸渍纤维粗纱缠绕在定位夹具或缠绕套筒上，使纤维按各部件载荷和功能需求特定排列。

“xFK in 3D 主要优势在于消除结构中载荷传递和引入的薄弱环节，”Herrmann 表示。他解释薄弱点常不在结构连续体中，而在载荷引入结构的区域，特别是相邻组件连接处。xFK in 3D 技术实现跨连接的载荷传递，允许纤维按期望组件功能和工况对齐，并可三维制造。

缠绕工艺带来额外优势：材料浪费最小化——纤维粗纱浪费不足 1%。

csi 识别出 xFK in 3D 优势，在 AMC 技术负责人 Dr. Clause Georg Bayreuther 咨询下设计 ULBS 座椅框架采用 xFK in 3D 制造。

“csi 工程师、AMC 顾问和 Alba 工装专家共同开发了这一座椅框架概念和结构，采用 xFK in 3D 工艺制造，”xFK in 3D 技术发起人兼技术顾问 Peter Fassbaender 表示。

Alba 制造 CFRP 座椅框架工装并提供工程支持。虽座椅框架用碳纤维缠绕，天然纤维或玄武岩纤维也是良好候选材料。

混合材料结构

除框架外，ULBS 原型还包含多项创新。除供应工装外，Alba 还提供座椅泡沫本体的工装、工程和制造，并执行座椅总装。纤维毡覆盖 CFRP 框架，再覆盖 3D 打印 PUR 泡沫护套。坐垫区采用传统泡沫。

通过在座椅靠背面板壳结构中使用 3D|CORE 纤维层间增强芯材（IRC）进一步减重。该材料为层内增强芯材——一种结构夹层芯材，由集成蜂窝结构的挤塑聚苯乙烯（XPS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫芯体组成。复合部件生产时，蜂窝结构注入树脂，产生高层间强度。3D|Core 在两层玻璃纤维间组装成预成型件，经真空辅助树脂传递模塑（VA-RTM）注入热塑性环氧树脂。

Covestro 提供 Dispercoll 胶粘剂作为纤维毡粘结剂，以及 3D 打印靠背坐垫。据 Herrmann 介绍，Dispercoll 机械性能提供良好耐磨性，这很重要，因为坐垫与框架表面接触会使毡料长期磨损。

“单根纤维粗纱进入织物时，硬质 CFRP 部件与毡垫间会产生微观位移。座椅框架组件可能摩擦织物并破坏它，”Herrmann 解释。

传统座椅通常有较大支撑面积承托坐垫，无此问题。但 xFK in 3D 结构因框架结构导致接触面积较小。

“xFK in 3D 结构顶住毡织物时，必须有特定耐久粘结剂；这正是 Dispercoll 在此背景下的作用，”Herrmann 补充。

Covestro 还提供据称全球首款 3D 打印坐垫。传统座椅靠背常用工艺密集型泡沫，采用 TPU（热塑性聚氨酯）3D 打印靠背坐垫，进一步提升 ULBS 座椅在美学、功能集成选项和舒适性方面的灵活性和适应性。

面向未来的座椅

ULBS 项目实现多项目标。虽概念尚未上市，但有潜力服务超跑、空中出租车、超轻量车辆、微出行、直升机、多旋翼飞行器和航空等众多利基市场。虽比量产车座椅昂贵，但 ULBS 展示多项最小化浪费、从而降低材料成本的技术。相比其他碳纤维技术，xFK in 3D 产生极少浪费。事实上，整个项目旨在使用最少资源、仅用必要最小量材料。ULBS 还提供在框架结构、坐垫和纺织品中使用可再生可持续资源（如天然纤维）的可能性。

但更重要的是，项目展示了企业如何通过短周期敏捷协调程序协作缩短上市时间。也是运用设计思维，聚焦功能需求、展望未来应用和可持续发展目标，成功将产品从创意推进到硬件原型的优秀范例。