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輕質復合材料汽車座椅的高效制造
  來源：塑料工程師學會北京分會   瀏覽次數(shù)：1436  發(fā)布時間：2016年09月26日 10:18:02
[導讀] 一種結合了纖維增強材料的應用，鋪設和堆疊的設計方法，以及集成成型和注塑成型工藝的新型優(yōu)化方法。纖維增強塑料（FRP）是由用


      一種結合了纖維增強材料的應用，鋪設和堆疊的設計方法，以及集成成型和注塑成型工藝的新型優(yōu)化方法。
 

纖維增強塑料（FRP）是由用纖維（如玻璃纖維和碳纖維）增強的聚合物基質（熱塑或熱固性）組成的復合材料。FRP在幾個行業(yè)，如航空航天，汽車，建設和國防里得到普遍應用。但是用熱固性或用短纖維增強的熱塑性塑料制成的常規(guī)FRP對于一些在汽車上的應用（如汽車座椅的制造）來說并不適合（就成本，重量，性能和循環(huán)時間而言）。
 

有著更高機械性能和成本效益（如鋁）的材料是一種替代普通FRP的理想方案。這樣的材料——如熱塑性塑料——用注射成型和熱成型加工時也更容易和快速。迄今為止典型的做法是用機織FRP加固制造的部件。但是在大多數(shù)情況下這種方法會使重量過大，耗材過多以及過分滿足需求（即局部剛度級別太高）。
 

我們在HBW-Gubesch的團隊與幾個合作伙伴（即，贏創(chuàng)，江森自控，東邦）已經開發(fā)出一種新方法來降低重量以及減少生產過程中的材耗。我們能夠通過以下表述的一組設計規(guī)則，用合適的適量材料以適當?shù)奶幚韥碇谱鲝秃喜牧喜考?，達到減少重量和節(jié)約材料的目的。對于這個特定的項目，我們使用有效的材料（即具有高彈性模量值的材料，例如用纖維增強的熱塑性塑料帶），設計方法（即鋪設和堆疊熱塑性塑料帶或其局部增強的部分），并處理（即成型和注射組合）。盡管該項目的這三部分本身不是新的，我們的組合和優(yōu)化方法卻是新穎的和獨特的。因此，我們使用我們的新方法設計的局部加固和負載優(yōu)化的座椅結構（見圖1）被稱為CompoSeat。


圖1. CompoSeat拼焊板的有效材料配置。座椅承載低負載的區(qū)域（如背面板）由非織造碳纖維（CF）制成。但受到高負載的區(qū)域可以用專門設計的碳纖維單向帶局部增強。相同并因此相兼容的基質材料聚酰胺12（PA12）用于座椅加強肋板的注射成型以及帶和非織造體系。這意味著不同的部件之間有著良好的粘附性。
 

為創(chuàng)造CompoSeat我們與贏創(chuàng)合作開發(fā)一種新的有效的聚酰胺12（PA12）作為基質的碳纖維單向帶。此外，贏創(chuàng)開發(fā)了一種可用于非高應力區(qū)域的新型碳纖維非織造PA12體系。帶和非織造體系的片材經過預浸漬在原位聚合中使用，其優(yōu)化了纖維體系的粘附性。但是我們不使纖維浸漬入熱壓下的基質體系。
 

對于我們的CompoSeat的設計，我們把有效PA12碳纖維材料置于座位承受高負載的區(qū)域，同時我們也用兼容短纖維增強材料進行局部增強。我們將帶堆疊至最大七層。每一層有不同的取向以使負載可從幾個方向轉移和吸收。座位受到低負載的區(qū)域用PA12碳纖維非織造體系制成。這種設計意味著高應力下的碳纖維帶主要位于枕梁（圍繞所述座椅產生的一個接近U形的結構）的一側，而該非織造體系覆蓋了所有的座椅結構空間。我們使用了SprilForm項目在同一模具中使非織造和帶片成型。在這個項目中用過模制鑲嵌金屬然后整合來固定座椅結構。我們還設計了附加勒來加強和加固座椅。
 

完成CompoSeat的設計后，我們得到了三維部分的結果和經過堆疊的帶和非織造體系的二維疊層（見圖2）。這樣就可以通過使用自動鋪帶過程和隨后的切割制造這種疊層以得到正確的形狀。這個過程的結果是得到一個拼焊復合板。因此制造最后的CompoSeat的全過程是幾個單獨過程的集成和組合。

圖2. 通過配置有效碳纖維PA12材料來制成拼焊板的過程示意圖。首先是一個自動帶鋪設（ATL）過程用于生產疊層的碳纖維PA12帶和非織造片材。接下來的三維設計用于得到二維疊層。最后是一個水刀系統(tǒng)，用于生產所配置的預產品拼焊板，用于制造CompoSeat的最后一部分。
 

首先，我們將金屬嵌件放入標準直立式注塑機上的模具中。同時，我們在對流烘箱中對拼焊板進行加熱。一旦達到正確的工藝溫度，我們用配備有針夾持器處理系統(tǒng)的六軸機器人將其轉移到模具中。然后我們將拼焊板鋪設在模具上，閉合模具以形成片材。在接下來的步驟中，我們將熱熔體注入到同一模具中以形成肋和過模制金屬嵌件（即形封閉）。我們用于注射成型以及帶和非織造元件的是相同的材料（PA12）。因此，我們可以實現(xiàn)在不同部分之間有良好的粘附性（材料閉合）。我們冷卻部件，完成全過程。那么一個可以現(xiàn)成使用的部件在90秒后就彈出來了。

        我們現(xiàn)在已經設計并制造了一種適合汽車應用的新型座椅。我們使用了一種新技術，結合和優(yōu)化輕質材料，輕量設計以及合適的處理。因此相比鋼座椅我們達到了40%的重量減輕。我們采用了具有成本效益的材料，也意味著我們達到了成本節(jié)約的目標（即每公斤可以至少節(jié)約€5）。此外，我們的周期縮短，可以在約90秒內生產一個完成的部件。目前，我們正在與一些行業(yè)合作伙伴，包括原始設備制造商，把我們的CompoSeat技術推向市場。我們正在分析汽車內很好地適合于我們技術并允許金屬部件被替換的結構和半結構件。我們也將繼續(xù)研究連接金屬和FRP的新解決方案。