對汽車行業以及諸如超級跑車和航空出租車等新興市場具有潛力的一個創新項目，采用先進的有生產力的技術，重構汽車座椅，并根據需求，只在正確的地方使用正確的材料，并快速產生結果。
通過采用仿真驅動的設計方法、敏捷項目管理方法以及參與公司之間的緊密合作和系統集成，最終，開發出了金屬-復合材料的超輕汽車座椅原型，從設計到制造，僅用了7個月的時間。
打造更好的座椅
多家德國公司合作，采用一種組合技術，開展了Ultra leichtbausitz（簡稱ULBS）超輕座椅的可行性研究。該項目的愿景是：創造一種超輕座椅概念，以在重量優化方面引領市場。
作為發起公司的csi entwicklungstechnik GmbH（簡稱csi）、Alba Tooling & Engineering（簡稱Alba）和Automotive Management Consulting（簡稱AMC，），與科思創、LBK Fertigung、Robert Hofmann和3D|CORE合作，開發了這種原型座椅概念。
該合作項目最終開發出的座椅原型重量略高于10kg，含坐墊、結構框架、功能嵌件和座椅控制等，這使其便于安裝到汽車上。該座椅比市場上的同類輕量化座椅（其中許多為后市場座椅）輕20%。
ULBS項目負責人、CSI公司負責輕量化設計的Stefan Herrmann表示，目前市場上還沒有重量低于12kg的競爭座椅。
“直接的對比通常不是一一對應的，因為后市場座椅對重量的定義通常不含有座椅控制。”Herrmann表示，“而且，與同等重量的座椅相比，ULBS座椅的舒適度要高很多。現有的座椅，通常是斗式座椅，雖然重量較低，卻不太舒服；或者是傳統的超級運動座椅，它們往往較重。”
ULBS項目采用了幾項創新技術，其中，基于xFK in 3D工藝技術的纖維粗紗骨架結構發揮了最重要的作用。
這項用于連續纖維粗紗沉積的獲獎技術，其最根本的優勢在于：
?設計自由度；
?能夠通過仿真和材料優化，沿載荷方向準確鋪放纖維；
?能夠簡單、低成本且無浪費地應用纖維材料。
針對該框架結構中的載荷轉移，使用了3D打印的部件：在載荷最大區域，如靠背裝置，該座椅采用了高強度、高模量的不銹鋼3D打印結構；在較低載荷區域，采用了鋁制的3D打印部件。
該項目基于AMC發起的理念。專業生產汽車白車身結構以及汽車內外飾、并涉足碳纖維增強聚合物（CFRP）和增材制造的工程公司csi，負責該項目的監管和協調。
csi負責數字處理鏈領域中的工作包，包括該項目的造型、工程設計、表面設計、CAE仿真、拓撲仿真、驗證仿真和虛擬確認。
ULBS項目之所以引人矚目，不只是使用了創新材料和創新的生產方法，還包括能夠在短短的7個月內，通過合作伙伴之間的緊密合作，開發出了含新組件設計的復雜部件。
纏繞骨架
在ULBS項目中，減重主要是通過采用AMC的xFK in 3D技術實現的，這是一種適用于纏繞部件的高度靈活、可配置、低成本且可持續的纖維復合材料技術。
xFK in 3D已在眾多行業和眾多市場領域的多種產品中得到應用。在JEC World 2018展會中，西格里集團就展示了一些采用該技術制成的汽車部件和自行車部件。由AMC開發的一種碳纖維自行車鏈環，與相應的鋁制品相比，減輕了70%的重量。
xFK in 3D 工藝采用熱固性樹脂浸漬的連續纖維，以無廢料的方式纏繞承載結構。由環氧樹脂浸透的纖維粗紗被纏繞在固定裝置或纏繞套管上，使纖維得到特殊排列，以便與每個部件的負載和所需功能相匹配。
“xFK in 3D的一個重要優勢是，在載荷轉移以及向結構中引入載荷時消除了薄弱點。”Herrmann解釋道，薄弱點通常不是出現在結構的連續體中，而是出現在結構中引入載荷的區域，特別是相鄰部件與結構相連接的地方。xFK in 3D技術支持跨連接的載荷轉移，允許纖維根據所需的部件功能和負載情況進行排列，并按三維制造。
纖維纏繞工藝還會帶來其他好處——它有助于最大程度地減少材料浪費，浪費的纖維粗紗不到1%。
在向AMC的技術負責人Clause Georg Bayreuther博士咨詢后，csi認識到了xFK in 3D技術的優勢，并設計了所要制造的ULBS座椅骨架。
Alba制造了用于生產CFRP座椅骨架的模具，并提供了工程支持。雖然該座椅骨架是由碳纖維纏繞而成，但天然纖維和玄武巖纖維也是很好的選擇。
一種混合材料的結構
一種混合材料的結構
除了骨架，ULBS座椅原型還包括其他一些新的創新。Alba提供了模具，還提供了座椅泡沫體的工裝、工程和制造支持并實施了座椅組裝。一種纖維絨墊覆蓋在座椅的CFRP骨架上，然后再覆蓋上3D打印的PUR泡沫，坐墊由傳統泡沫材料制成。
通過在座椅靠背的背板殼結構中應用3D|CORE，進一步減輕了重量。
3D|CORE是一種層內增強芯（簡稱IRC）材料，即以整體蜂窩形式存在的一種含擠出聚苯乙烯（XPS）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫芯體的結構夾層芯。在復合材料部件的生產過程中，該蜂窩結構由樹脂填充，從而帶來了極高的層內強度。
將3D|Core放在兩層玻璃纖維之間，創造出一個預成型件，然后采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VA-RTM）工藝對其灌注熱塑性環氧樹脂。
科思創提供了其Dispercoll粘合劑，以用作纖維絨墊和3D打印的靠背墊的粘合劑。Herrmann介紹說，Dispercoll粘合劑的力學性能確保了良好的耐磨性，這非常重要，因為墊子與骨架之間的表面接觸，會引起絨墊磨損。
“如果你有單根纖維粗紗，當你把它放入織物中時，會導致硬的CFRP部件與絨墊之間產生微小移動，從而使座椅骨架部件與織物之間產生摩擦，最終破壞織物。”Herrmann解釋道。
傳統的座椅通常有較大的表面積用來支撐軟墊，但采用xFK in 3D技術制成的骨架結構，接觸表面積卻較小。
“當xFK in 3D結構推動抓絨織物時，必須要采用一種特殊的且耐用的粘合劑，而這正是Dispercoll粘合劑所能提供的性能。”Herrmann補充道。
科思創還提供了據說是世界上第一個3D打印的軟墊。雖然傳統的座椅靠背通常采用的是由模具成型的泡沫，但就美觀性、功能集成性和舒適性而言，由TPU制成的3D打印的座椅靠背墊，卻進一步提高了ULBS座椅的靈活性和適應性。
未來的座椅
ULBS項目實現了幾大目標。由該項目產生的概念，雖然尚沒有走向市場，卻具有服務于眾多小眾市場的潛力，如超級跑車、空中出租車、超輕車輛、微型移動車輛、直升機、多翼飛機和航空等。
不可否認，雖然比量產汽車座椅更貴，但ULBS項目卻驗證了幾項減少浪費從而降低材料成本的技術。與其他碳纖維技術相比，xFK in 3D產生的浪費極低。實際上，整個項目旨在使用最少的資源以及只使用必要的最少的材料。ULBS還提供了采用可再生、可持續資源的可能性，比如在骨架結構、墊子和織物中使用天然纖維。
更重要的是，該項目證明了企業之間如何通過短而靈活的協作來縮短新產品的上市時間。這也是采用設計思維，通過關注功能要求以及展望未來應用和可持續發展目標而成功地將產品從概念轉變成硬件原型的一個很好的例子。
魯ICP備2021047099號