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使用聚酰胺制造更为舒适的轻巧座椅 |
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作者：MARKUS PETRY，WALTER RAU 来源：德国Kunststoffe internationai杂志 |
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汽车座椅的中期发展将继续沿着增强舒适度和安全性以及降低成本和重量的竞争力要求前进。本文论述了使用聚酰胺如何制造可以安装在更为狭小空间内的轻巧座椅。文中还描述了超级吸收材料和聚氨酯涂料等材料的解决方案，它们可以采用一种经济的方式改进座椅系统的性能。
目前汽车工业讨论的话题充斥着经济危机和后期的销售危机。因此，甚至是CO2方面的争论也已在某种方式下进入这一背景。然而，尽管如此，其对汽车中长期发展的影响仍然是大势所趋。汽车内饰（特别是汽车座椅）将扮演十分重要的角色。
Faurecia公司的可持续舒适座椅：采用薄壁座椅设计，
可形成轻巧的汽车结构并增大空间感
在未来，增强舒适度和安全性的要求与降低成本和重量之间的冲突将更加难以协调。这已被许多前景光明的理念无法付诸实践所证明。为了在未来解决这种冲突，需将座椅视为一个整体的系统——考虑生产中所有不同的增值部分和材料。这就是位于德国路德维希港的BASF（巴斯夫）开发“座椅”理念的一大背景。2007年，该公司设立了一个跨学科的汽车座椅工作小组，它聚集了不同部门的创新技术。该小组的专业知识涉及从塑料和泡沫到涂料以及创新性功能材料解决方案（见图1）。 
通风、透气的传导性材料
作为吸水性的丙烯酸聚合物系统，超级吸收材料已用于许多应用中，如婴儿尿布。超级吸收性聚合物微粒紧密地粘附在聚酯无纺布纤维上，使其在Luquafleece系统中具有吸收湿气的功能，同时不会损耗它们所具有的高性能吸收能力。在可逆程序中，这些无纺布可以吸收外围湿气并再次释放（图2）。 
这开启了提高汽车座椅舒适度的新机遇。与空调座椅目前使用的机械通风系统相比，将超级吸收性无纺布纳入织物或皮革座椅覆层之下，可以大量降低重量和成本。这些无纺布稳定、长期的空调效果已经在试验中有所体现，而且很容易作为卷材加工，正如织物一样。
为了制造美观且透气性优良的表面，可采用广为人知的Steron聚氨酯涂料技术和超级吸收性无纺布。这些多样性涂料可应用于挠性材料，例如皮革和织物，也可用于木材、塑料或金属，产生十分耐用的表面，提供各种柔软的触觉和设计效果。使用含有超级吸收材料的这些涂料可以生产被动式空调座椅。
Steron技术的特征是挠性大。即使批量较小，也可以经济地生产各种形状，因此可为设计人员提供范围广泛设计（图3）。
该领域的另一种新技术是所谓的电气织物（e-textile）。这些织物上具有采用新型涂层工艺直接涂敷的特殊的量身定制的导体涂料。此技术可以将许多不同功能结合到织物之内。随机想到的例子包括座椅加热、结合车灯的车门和车顶织物或者由织物制成的天线。采用电气织物（e-textile）减少了独立元件的使用，这意味着工艺更简单，重量更轻，当然成本也更低。
采用工程塑料生产的座椅结构
为了制造舒适、功能多样并具有充分防撞安全性的轻巧、低成本的汽车座椅，需要采用新座椅理念和结构。工程塑料可以在这一方面发挥重要的作用。目前的设计研究已紧随这一趋势，并展示如何将座椅系统的几种功能或元件集成于整个塑料部件之内，从而增加舒适度，并使用薄壁结构。在此，我们将看到这种十分重要的设计，它采用现代工程塑料形成的优质耐划伤表面。这些表面不需要额外喷漆。长期以来，塑料在汽车座椅领域占有一席之地，并首次用于生产许多其他元件，例如头部保护系统和腰部支持件。现在，轻巧结构的发展趋势将朝着更为复杂的高应力部件发展，这在几年之前是难以想象的，特别是用于座椅骨架和座椅靠背结构。金属仍然是这一方面的主导技术。但是，在集成复杂功能，实施新设计或提高座椅舒适度的时候，钢板有较大局限性。这就是塑料可以展示其强度以及优化整个座椅系统重量和成本的优势。
首次系列应用
对这种塑料座椅结构进行系列应用的第一个示例是Opel（欧宝）、Recaro和BASF（巴斯夫）之间共同开发的Opel Insignia OPC的驾驶员座椅。其采用BASF（巴斯夫）的Ultramid聚酰胺制造座椅靠背和骨架（图4）。开发的主要聚焦点是形成舒适的运动型座椅，这意味着侧部软垫需较高且坚实。塑料提供的设计自由度可使设计人员将整个座椅骨架作为一个部件去制造，同时还可使其具有该类型的座椅骨架一般无法实现的优良的人体工程学特性。对于Insignia OPC的座椅骨架，制造商使用了Ultramid B3ZG8，它是一种玻璃纤维填充的高性能耐撞击改性聚酰胺，其具有高能量的吸收性能。这种结合头部防护系统的自由直立式座椅靠背要求极高刚度，以及充足的断裂拉伸率。为此，采用Ultramid B3G10SI生产座椅靠背骨架。除了优良的机械性能之外，还要求这种材料提供顶级质量的表面处理，因为在汽车内可以看见较大部分的座椅靠背背面。座椅结构所需承受的极高的机械应力要求采用优质塑料，一方面可以提供极其优良的流动性，另一方面还具有高能量的吸收能力。但是产品的发展还没有到尽头。用于该应用的下一代材料的特点将会使用其它填充物、高负载填充物和优化改性剂。
在研发共同元件的某个阶段需向聚合物生产商咨询适合于注射成型工艺的部件和模具设计以及撞击模拟情况。模拟显示了这种结构不仅符合法律要求和ECE（欧洲经济委员会）指南，而且满足OEM特定的撞击要求和推动规格。最重要的是，在出现撞击时防止负载物的移动并完美地平衡刚度和能量吸收能力，通过娴熟的几何结构设计和恰到好处的材料选择实现这一目标。粘接在座椅靠背骨架上的嵌置粘合剂在此发挥了十分重要的作用。它由BASF（巴斯夫）的可吸收能量的EPP泡沫物——Neopolen P制成，其结合了不同的功能并用作模块载体。
塑料在汽车应用（包括汽车座椅开发）中取得成功的一个重要因素是撞击模拟所取得的进步。在早期开发过程中，精确虚拟设计对于满足较高的撞击要求且不影响重量和成本是十分重要的。有许多不同因素影响着所使用的塑料的性能，范围包括增强材料的各向异性到应变率所制约的粘弹性。这些参数必须是在广泛的温度和湿度范围内所明确具有的特征。BASF（巴斯夫）已经采用称为Ultrasim的电脑模拟工具为其开发了适合自己的方法，并被许多系列元件所验证，包括Insignia OPC座椅（图5）。
今天已成功制造了运动型座椅中的热塑性塑料结构部件，对于所涉及的较短流道而言，热塑性塑料注射成型较低的模具成本是一个十分重要的优势。而下一步将顺理成章地扩展至整个工业规模生产。
经济型制造工艺
注射成型是简化生产，降低元件生产成本的最佳工艺。只有采用这种工艺，才能通过智能集成的方式组合越来越多的座椅功能，在工业生产中以快速合宜的周期操作并形成优质表面。特殊的现代方法（例如气体和水支持的成型或物理发泡）能够使工程塑料的应用范围扩大至结构应用中。从强度方面来看，座椅靠背结构中的临界区域是座椅靠背装置的连接点，因为此处产生力矩的最大。为确保均匀的力量流动，使用综合技术。根据安装空间和基本安装理念，可以使用包覆成型或粘胶剂粘接的金属部件。
采用连续纤维制造的综合产品
此连接处的综合技术的一个有趣进展是使用具有极高刚度的连续式增强纤维。在此使用的技术已经是用于热固塑料的一流技术，但是，对于热塑性塑料，由于需要的周期时间较长，所以之前还未用于工业汽车生产中。这种突破来自于热塑性塑料的连续纤维带，其用于自动化布带工艺加工后的半成品中。通过各种单独的加工工艺，不仅可以形成“有机板”，而且可以形成用于处理特殊应用应力的连续纤维毯。然后采用热塑成型成型座椅结构所需的几何形状。接着在注射成型工艺中运用聚酰胺对这些部件进行包覆成型，于是加工为混合元件（图6）。所用的周期时间甚至可将半成品的制备集成到注射成型工艺周期内。
最初的试验说服了汽车元件供应商Faurecia与BASF（巴斯夫）一起投资一项合作计划，采用连续纤维增强材料开发新一代汽车座椅。在该项目中，材料和技术专业知识以一种理想的方式融入座椅设计和制造中。与未增强的注塑部件及连续式纤维增强件一样，模拟撞击性能也是进行工艺的第一步。在元件测试的基础上，开发了包覆成型连续纤维结构的CAE材料模型。采用BASF（巴斯夫）为此所开发的聚酰胺Ultramid CompoSIT对结构进行包覆成型。这种材料具有极高的拉伸率，因此，在结合刚性连续纤维结构时，可带来理想的机械特性。另外，这种材料可以提供优质的表面以备着色，因而还可以节约油漆成本。
这种共同开发的座椅靠背理念实际上已通过验证且满足现有OEM的撞击要求。最终的座椅完全利用了这种塑料提供的设计可能性，并结合了舒适性和现代的薄壁座椅设计，达到优质标准（标题图片）。这种薄壁座椅理念不仅增加了设计自由度，而且还对不应低估的汽车轻巧结构作出了贡献，同时产生更大的空间感。
未来采用新材料制造的集成式汽车座椅结构还必须满足设计、舒适度和轻巧结构方面的高要求。尤其是新型电动和混合动力汽车概念需采用不同的座椅甚至更系统地利用轻巧结构。对于此类发展，需采用各种不同材料和综合专有知识系统所量身定制的结构材料。
作者简介
DIPL.-ING. MARKUS PETRY出生于1975年，在德国路德维希港市的BASF（巴斯夫）的汽车业务开发部工作，并从事汽车内饰和汽车车身方面的工作。
DIPL.-ING. WALTER RAU出生于1964年，在BASF（巴斯夫）的欧洲工程塑料事业部管理汽车业务开发部。他还是跨学科汽车座椅项目小组的主管。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/29/2010) |
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