Революция в автомобильных сиденьях с технологией 3D-навивки нитями

Устойчивое развитие и экологическая ответственность становятся всё более частыми драйверами технологических трендов в автомобильной промышленности. Низкоэнергетичные и низкоэмиссионные автомобили стали приоритетом для международного автосектора, а тренды к альтернативным транспортным технологиям, таким как электромобильность и городская воздушная мобильность (UAM), набирают обороты. OEM ищут в новых материалах и процессах эйблеры для этих перспективных режимов передвижения, но изменения в автосекторе часто идут медленно. Для полного внедрения новых материалов и процессов они должны не только быть квалифицированы, но и быть экономически эффективными и обеспечивать крупносерийное производство.

Ультралёгкое сиденье. Концепция сиденья Ultra Leichtbausitz (ULBS) разработана через сотрудничество нескольких компаний с использованием комбинации технологий. Источник | csi entwicklungstechnik

Недавно инновационный проект с потенциалом для автомобильного сектора — а также для новых рынков, таких как гиперкары и авиатакси — продемонстрировал, как новые материалы, процессы и технологии, а также тесное сотрудничество между компаниями могут позволить транспорт следующего поколения. Цель проекта — полностью переосмыслить автомобильное сиденье с использованием передовой генеративной технологии, и сделать это, используя только столько правильного материала, сколько нужно, в правильном месте — и получить результаты быстро. Получившийся прототип ультралёгкого гибридного металл-композитного автомобильного сиденья был разработан, от дизайна до производства, за всего семь месяцев, благодаря симуляционно-ориентированному подходу к дизайну, гибким методам управления проектом и тесному сотрудничеству и системной интеграции между вовлечёнными компаниями.

Создание лучшего сиденья

Изучение реализуемости ультралёгкого сиденья (ULBS) разработано через сотрудничество нескольких компаний с использованием комбинации технологий. Визия проекта была, в словах группы, «создать концепцию ультралёгкого сиденья, выдающуюся на рынке в плане оптимизации веса». Инициаторы проекта — csi entwicklungstechnik GmbH (csi, Неккарзульм, Германия), Alba Tooling & Engineering (Форштау, Австрия) и Automotive Management Consulting (AMC, Пенцберг, Германия) — разработали прототип сиденья в сотрудничестве с Covestro (Леверкузен, Германия), LBK Fertigung (Фридберг, Германия), Robert Hofmann (Лихтенфельс, Германия) и 3D|CORE (Херфорд, Германия).

Коллаборативный проект привел к прототипу сиденья весом чуть более 10 кг, включая подушку, несущий каркас, функциональные вставки и консоль сиденья для крепления к автомобилю. Сиденье на 20% легче сопоставимых лёгких сидений на рынке, многие из которых — тюнинговые. По словам лидера проекта ULBS Стефана Херрмана, отвечающего за лёгкий дизайн в CSI, на рынке сейчас нет конкурирующих сидений весом менее 12 кг.

«Однако прямое сравнение часто некорректно, потому что тюнинговые сиденья часто не включают консоль в определение веса», — говорит Херрман. «Также комфорт ULBS намного выше по сравнению с сиденьями похожего веса. Существующие сиденья часто — бакетные, которые даже легче, но не такие комфортные, или традиционные суперспортивные сиденья, которые намного тяжелее».

ULBS обладает несколькими инновационными технологиями, из которых структура-скелет из волокнистого ровинга на базе процесса xFK in 3D играет наиболее заметную роль. (См. «Навивка нитями, переизобретённая» для подробностей о xFK in 3D и других технологиях навивки.) Фундаментальное значение награждённой технологии бесконечной укладки ровинга заключается в свободе дизайна, в симуляционно-ориентированной и материалово-оптимизированной укладке волокна точно в направлении нагрузки, а также в простом, экономичном и безотходном применении волокнистого материала. Для передачи нагрузок в этой каркасной структуре использованы 3D-печатаемые детали. В зонах с наивысшими нагрузками, таких как крепления спинки, сиденье использует 3D-печатаемые структуры из нержавеющей стали с высокой прочностью и высоким модулем. В менее нагруженных зонах — алюминиевую 3D-печать.

csi entwicklungteknik, инженерная компания, специализирующаяся на структурах кузова автомобиля (BIW), а также на интерьерах и экстерьерах с бизнес-областями, включая CFRP и аддитивное производство, курировала и координировала проект на основе идеи, инициированной AMC. csi обеспечила стилизацию, поверхностное моделирование, концепцию, симуляцию, конструкторское проектирование и управление проектом.

Херрман объясняет: «csi отвечала за рабочие пакеты в области цифровой процессной цепочки — стилизация, инженерный дизайн, дизайн поверхностей, CAE-симуляция, топологическая симуляция, валидационная симуляция и виртуальное подтверждение проекта».

Он подчёркивает, что заметность проекта ULBS заключается не только в использовании инновационных материалов и методов производства, но и в разработке сложной детали, включающей новые конструктивные решения, в короткий семимесячный срок благодаря тесному сотрудничеству партнёров.

Навивной каркас сиденья. Значительная часть снижения веса в проекте ULBS обеспечивается технологией навивки AMC xFK in 3D. Источник | csi entwicklungstechnik

Навивка каркаса

Значительная часть снижения веса в проекте ULBS обеспечивается xFK in 3D от AMC — высоко гибкой, конфигурируемой, экономичной и устойчивой волокнисто-композитной технологией навивки компонентов.

xFK in 3D уже использовалась для множества продуктов и применений в различных отраслях и рыночных сегментах. SGL Group (Висбаден, Германия) демонстрировала несколько автомобильных и велосипедных деталей, изготовленных этой технологией, на международной композитной выставке JEC World 2018. Одна из демонстрируемых деталей — углеродно-волокнистое звёздочка велосипеда, разработанная AMC, как утверждается, снижает вес до 70% по сравнению с алюминиевой версией.

Навивка втулок. Ровинг из термореактивной смолы, пропитки волокна, навивается вокруг позиционирующей втулки, позволяя располагать волокна в соответствии с нагрузками и желаемыми функциями каждой детали. Источник | csi entwicklungstechnik

Процесс xFK in 3D навивает несущие структуры безотходным способом, используя непрерывные волокна, пропитанные термореактивной смолой. Ровинг, насыщенный эпоксидной смолой, навивается вокруг позиционирующей втулки, позволяя располагать волокна специально для соответствия нагрузкам и желаемым функциям каждой детали.

«Одним из главных преимуществ xFK in 3D является устранение слабых точек в передаче нагрузок и вводе нагрузок в структуры», — говорит Херрман. Он объясняет, что слабые точки часто не в континууме структуры, а в зонах, где нагрузки вводятся в структуру, особенно где соседние компоненты соединяются со структурой. Технология xFK in 3D позволяет передавать нагрузки через соединения и располагать волокна в соответствии с желаемыми функциями компонентов и нагрузочными случаями, и производить в трёх измерениях.

Процесс навивки даёт дополнительные преимущества. Процесс помогает минимизировать отходы материала — менее 1% ровинга волокна теряется.

csi признала сильные стороны xFK in 3D и спроектировала каркас сиденья ULBS для изготовления под консультацией д-ра Клауза Георга Байройтера, технического руководителя AMC.

«Работая с инженерами csi, консультантами AMC и экспертами по инструментам Alba разработали эту концепцию и структуру каркаса сиденья для производства процессом xFK in 3D», — говорит Питер Фассбендер, технологический консультант и инициирователь технологии xFK in 3D.

Alba изготовила инструментарий для CFRP каркаса сиденья и предоставила инженерную поддержку. Также, хотя каркас сиденья навит из углеродного волокна, натуральные волокна или базальтовые волокна также хорошие кандидаты.

Новые технологии. Прототип ULBS использует комбинацию новых технологий, включая оболочку задней панели из материала внутрислойного армирующего ядра (IRC) и 3D-печатаемые подушки спинки из термопластичного полиуретана (TPU). Источник | csi entwicklungstechnik

Гибридная материаловая структура

Помимо каркаса, прототип ULBS включает несколько других инноваций. Alba, поставившая инструментарий, также поставила инструментарий, инженерию и изготовление пенистого корпуса сиденья и выполнила сборку сиденья. Волокнистый флис покрывает CFRP каркас сиденья, который затем покрывается 3D-печатаемым PUR-пенистым накладом. Область сиденья сделана из традиционной пены.

Дальнейшее снижение веса достигнуто за счёт использования 3D|CORE — материала внутрислойного армирующего ядра (IRC) — в структуре оболочки задней панели спинки. Материал — внутрислойное армирующее ядро (IRC) — структурное сэндвич-ядро, состоящее из экструдированных тел пены полистирола (XPS) и полиэтилентерефталата (PET) в интегрированной сотовой структуре. При производстве композитных деталей сотовая структура заполняется смолой, обеспечивая высокую внутрислойную прочность. 3D|Core собирается между двумя слоями стекловолокна для создания преформы, которая инфьюзируется термореактивной эпоксидной смолой с использованием вакуумно-ассистированного литья смолы под давлением (VA-RTM).

Covestro поставила свой клей Dispercoll как связующее для волокнистых флисовых ковров, а также для 3D-печатаемой подушки спинки. По словам Херрмана, механические свойства Dispercoll обеспечивают хорошую износостойкость, что важно, потому что контакт поверхностей между подушкой и каркасом может подвергать флис износу со временем.

«Если у вас один волокнистый ровинг, и вы кладете его в текстиль, вы получаете микроперемещения между жёсткими CFRP деталями и флисовыми коврами. Компоненты каркаса сиденья могут тереть текстиль и разрушать его», — объясняет Херрман.

Традиционные сиденья обычно имеют большую площадь поверхности для поддержки подушки и не имеют этой проблемы. С xFK in 3D, однако, площадь контакта меньше из-за каркасной структуры.

«Когда структуры xFK in 3D давят на флисовую ткань, вы должны иметь специфичный и долговечный связующий; это обеспечивает Dispercoll в этом контексте», — добавляет Херрман.

Covestro также поставила, как утверждается, 세계 первую 3D-печатаемую подушку. Тогда как традиционная и инструментально-трудоёмкая пена обычно используется в подушках спинки, использование 3D-печатаемых подушек спинки из TPU (термопластичный полиуретан) ещё больше повышает гибкость и адаптивность сиденья ULBS в отношении эстетики, вариантов функциональной интеграции и комфорта.

Сиденье для будущего

Проект ULBS достигает нескольких целей. Полученная концепция, хотя пока не на рынке, имеет потенциал служить множеству нишевых рынков: гиперкары, авиатакси, ультралёгкие автомобили, микромобильность, вертолёты, мультикоптеры и авиация. Хотя, конечно, дороже серийных автосидений, ULBS демонстрирует несколько технологий, минимизирующих отходы, тем самым снижая материальные затраты. В сравнении с другими углеродно-волокнистыми технологиями xFK in 3D даёт очень низкое количество отходов. Фактически, весь проект направлен на использование минимальных ресурсов и только необходимого минимума материала. ULBS также предлагает возможность использования возобновляемых и устойчивых ресурсов, таких как натуральные волокна, в структуре каркаса, подушках и текстиле.

Но что важнее, проект демонстрирует, как компании могут минимизировать время выхода на рынок, работая вместе через короткие и гибкие процедуры координации. Это также хороший пример использования дизайн-мышления для успешного перевода продукта от идеи к аппаратному прототипу, фокусируясь на функциональных требованиях и глядя вперёд к будущим применениям и целям устойчивого развития.