一種結(jié)合了纖維增強(qiáng)材料的應(yīng)用，鋪設(shè)和堆疊的設(shè)計(jì)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(qiáng)塑料（FRP）是由用纖維（如玻璃纖維和碳纖維）增強(qiáng)的聚合物基質(zhì)（熱塑或熱固性）組成的復(fù)合材料。FRP在幾個(gè)行業(yè)，如航空航天，汽車，建設(shè)和國(guó)防里得到普遍應(yīng)用。但是用熱固性或用短纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料制成的常規(guī)FRP對(duì)于一些在汽車上的應(yīng)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(shí)間而言）。
有著更高機(jī)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(shí)也更容易和快速。迄今為止典型的做法是用機(jī)織FRP加固制造的部件。但是在大多數(shù)情況下這種方法會(huì)使重量過大，耗材過多以及過分滿足需求（即局部剛度級(jí)別太高）。
我們?cè)贖BW-Gubesch的團(tuán)隊(duì)與幾個(gè)合作伙伴（即，贏創(chuàng)，江森自控，東邦）已經(jīng)開發(fā)出一種新方法來降低重量以及減少生產(chǎn)過程中的材耗。我們能夠通過以下表述的一組設(shè)計(jì)規(guī)則，用合適的適量材料以適當(dāng)?shù)奶幚韥碇谱鲝?fù)合材料部件，達(dá)到減少重量和節(jié)約材料的目的。對(duì)于這個(gè)特定的項(xiàng)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(qiáng)的熱塑性塑料帶），設(shè)計(jì)方法（即鋪設(shè)和堆疊熱塑性塑料帶或其局部增強(qiáng)的部分），并處理（即成型和注射組合）。盡管該項(xiàng)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(dú)特的。因此，我們使用我們的新方法設(shè)計(jì)的局部加固和負(fù)載優(yōu)化的座椅結(jié)構(gòu)（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(fù)載的區(qū)域（如背面板）由非織造碳纖維（CF）制成。但受到高負(fù)載的區(qū)域可以用專門設(shè)計(jì)的碳纖維單向帶局部增強(qiáng)。相同并因此相兼容的基質(zhì)材料聚酰胺12（PA12）用于座椅加強(qiáng)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(zhì)的碳纖維單向帶。此外，贏創(chuàng)開發(fā)了一種可用于非高應(yīng)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(jīng)過預(yù)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(zhì)體系。
對(duì)于我們的CompoSeat的設(shè)計(jì)，我們把有效PA12碳纖維材料置于座位承受高負(fù)載的區(qū)域，同時(shí)我們也用兼容短纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行局部增強(qiáng)。我們將帶堆疊至最大七層。每一層有不同的取向以使負(fù)載可從幾個(gè)方向轉(zhuǎn)移和吸收。座位受到低負(fù)載的區(qū)域用PA12碳纖維非織造體系制成。這種設(shè)計(jì)意味著高應(yīng)力下的碳纖維帶主要位于枕梁（圍繞所述座椅產(chǎn)生的一個(gè)接近U形的結(jié)構(gòu)）的一側(cè)，而該非織造體系覆蓋了所有的座椅結(jié)構(gòu)空間。我們使用了SprilForm項(xiàng)目在同一模具中使非織造和帶片成型。在這個(gè)項(xiàng)目中用過模制鑲嵌金屬然后整合來固定座椅結(jié)構(gòu)。我們還設(shè)計(jì)了附加勒來加強(qiáng)和加固座椅。
完成CompoSeat的設(shè)計(jì)后，我們得到了三維部分的結(jié)果和經(jīng)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(dòng)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(gè)過程的結(jié)果是得到一個(gè)拼焊復(fù)合板。因此制造最后的CompoSeat的全過程是幾個(gè)單獨(dú)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(gè)自動(dòng)帶鋪設(shè)（ATL）過程用于生產(chǎn)疊層的碳纖維PA12帶和非織造片材。接下來的三維設(shè)計(jì)用于得到二維疊層。最后是一個(gè)水刀系統(tǒng)，用于生產(chǎn)所配置的預(yù)產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)直立式注塑機(jī)上的模具中。同時(shí)，我們?cè)趯?duì)流烘箱中對(duì)拼焊板進(jìn)行加熱。一旦達(dá)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(jī)器人將其轉(zhuǎn)移到模具中。然后我們將拼焊板鋪設(shè)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(shí)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(gè)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(jīng)設(shè)計(jì)并制造了一種適合汽車應(yīng)用的新型座椅。我們使用了一種新技術(shù)，結(jié)合和優(yōu)化輕質(zhì)材料，輕量設(shè)計(jì)以及合適的處理。因此相比鋼座椅我們達(dá)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(dá)到了成本節(jié)約的目標(biāo)（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(nèi)生產(chǎn)一個(gè)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(shè)備制造商，把我們的CompoSeat技術(shù)推向市場(chǎng)。我們正在分析汽車內(nèi)很好地適合于我們技術(shù)并允許金屬部件被替換的結(jié)構(gòu)和半結(jié)構(gòu)件。我們也將繼續(xù)研究連接金屬和FRP的新解決方案。
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