巴斯夫+丰田：复合材料座椅背设计入围2023年JEC创新奖

巴斯夫、Flex-N-Gate、丰田和L&L产品公司凭借2022年丰田Tundra™上的复合座椅靠背设计被提名为2023年JEC创新奖的汽车与道路运输-设计部分的决赛选手。此前，该项目因在减重方面的成就而获得2022年Altair Enlighten奖和2022年SPE汽车创新奖。

丰田公司工程设计底盘组经理Vik Bhatia介绍称："拉挤复合技术使我们能够设计出比以前的车型轻20%的座椅结构，并达到我们的成本目标。巴斯夫、L&L产品公司和Flex-N-Gate是伟大的合作伙伴，帮助我们实现了目标。"

该座椅结构是L&L产品公司连续复合系统™（CCS™）技术的第一个汽车内饰应用，该技术使用巴斯夫的聚氨酯拉挤系统Elastocoat® 74850。CCS是一种纤维增强的复合材料载体，具有高度工程化的密封剂和粘合剂的二维轮廓。在这一应用中，它与巴斯夫的冲击改性聚酰胺6 Ultramid® B3ZG7 CR叠加在一起，形成了60%座椅背的三维形状。

L&L产品部产品工程经理Hank Richardson表示："通过这种合作关系，我们能够取消包含60个冲压和焊接部件的全钢组件，并把这些零件整合成四个复合材料部件，从而减少与金属座椅结构相关的组装和废料成本。这也使得座椅系统的功能更强。"

巴斯夫公司高性能材料部热塑性复合材料技术负责人Kipp Grumm表示："我们将不断地展示拉挤技术如何能够提供轻质、经济的解决方案以及综合功能。座椅结构中的注塑包覆拉挤梁的独特设计也通过了所有相关的碰撞测试要求，为复合材料在汽车应用中的更多采用打开了大门。”

相关阅读：

丰田Tundra™座椅靠背展现了下一代汽车复合材料设计理念

随着越来越多的电动汽车和混合动力汽车进入市场并上路，汽车OEM厂商正越来越多地探索使用复合材料来减轻各种部件的重量，以帮助提升车辆的续航能力。

丰田汽车北美研发部的高级工程经理John Salvia解释称，2018年，他所在的Ann Arbor工厂的丰田工程师们开始对 "下一代皮卡 "进行头脑风暴。他说："我们开始研究什么是未来最有效的设计，并特别试图设想如何使第二排或第三排座椅的车辆设计更高效、更具成本效益。”他们评估了一系列材料，包括铝、碳钢和各种纤维增强复合材料。

客户体验也是一个关键的考虑因素。在开发2022款的Tundra时，John Salvia指出，上一车型的客户反馈表明他们希望在车厢内有更多的专用存储空间。然而，这一愿望也必须与事实相平衡，那就是在Tundra的新混合动力选项中，电池组将被安置在后座的下面。

由于初始目标是成本效益高、制造效率高、重量轻、设计灵活以实现更多的存储空间等，纤维增强复合材料成为首要的材料选项。

John Salvia表示："当然，我们的口袋里已经有一个成熟的复合材料案例"。2021年丰田Sienna小客车的第三排座椅框架是由35%短玻璃纤维填充的聚酰胺6（PA6）注塑而成的，这一材料是与巴斯夫公司合作开发的。Sienna座椅框架获得了2020年Altair Enlighten奖中的模块类奖项，以及2021年SPE创新奖中的车身内饰类奖项。Sienna座椅框架被称赞为用两件式复合材料部件取代了以前车型的16件式钢制组件，重量减轻了30%。巴斯夫的玻璃纤维填充Ultramid B3ZG7 CR PA6塑料是专门为这一项目而开发的。

据巴斯夫运输市场部经理Jeffrey Hagar称，之所以选择复合材料作为Sienna的座椅框架主要是为了轻量化。钢制的第三排座椅太重了，客户在需要时无法轻易折叠或拆除它们。Jeffrey Hagar称，一个解决方案是安装一个机械马达来折叠第三排座椅，但这将增加重量。因此开发更轻的复合材料是一种解决方案。

Jeffrey Hagar说，在这次成功之后，丰田团队再次向巴斯夫提出了一个新的项目构想，"这次有一个更大的目标"。

具体来说，丰田公司的目标就是开发一种新的座椅框架设计。与以前的钢架Tundra第二排座椅靠背相比，新座椅框架重量减少了20%，提高了可制造性，为客户增加了专用的存储空间，并使整体结构强度增加一倍。

与Sienna相比，最大的挑战是什么？Tundra皮卡根本就比小客车大很多。皮卡的第二排座椅的框架需要比Sienna的第三排座椅宽出30%。

材料与设计，始于Sienna

John Salvia解释道：“座椅系统是一个相当复杂的设计系统，因此座椅系统工程师的困难是平衡许多不同的挑战与目标。”

Tundra是60/40座椅设计，这是汽车后排座椅的常见设计，意味着座椅被分为两个主要部分——一个占60%的空间，另一个占40%。

John Salvia说："当你看到我们如何设计一个钢制座椅结构时，首先你从核心部件结构梁开始，然后你通过在钢结构梁上焊接来增加形状或电子原件或任何你需要的功能。你把设计拼凑在一起，从设计的角度来看是很有效的，但是当你进入制造阶段时，你会发现有许多小的结构焊接，以及大量的零件处理和质量检查。"

设计过程从手绘草图开始，最终数字化并通过数字模拟工具进行虚拟验证。John Salvia解释说：由于材料发挥了非常重要的作用，巴斯夫在设计过程中的作用也同样是巨大的。Jeffrey Hagar指出："丰田公司开发了设计和造型，而巴斯夫优化了材料设计，并提供了工程方面的最佳实践。”

在研究Sienna的过程中，巴斯夫使用其内部的UltraSim软件，根据碰撞要求对其几种现成的材料进行建模，并很快意识到需要一种新等级的材料。Jeffrey Hagar说：“我们从我们的基础Ultramid开始，我们能够对树脂和玻璃纤维的方向，以及它们如何相互连接进行一些修改。”

对于Tundra皮卡，巴斯夫首先用Ultramid B3ZG7 CR 35%玻璃纤维增强PA6材料进行了新的模拟试验。"我们有来自Sienna的大约一年的现场信息，并且知道我们在市场上的现场故障率为零，所以我们相信这也是适合Tundra的材料等级。"

为了便于制造，座椅框架部件将由这种新材料注塑而成。选择像Sienna那样使用注塑成型的复合材料，可以将60多个单独的金属部件优化为只有四个复合材料部件——两个座椅背架和两个座椅垫架——通过金属支架连接，再加上坐垫和内置储物选项的额外部件。

John Salvia指出，复合材料座椅框架的设计灵活性也使人们有机会在2022年的Tundra上有效地增加新的储物箱选项。在该车的混合动力系统选项上，电池被安置在第二排坐垫下，一个专用的聚丙烯储存箱被连接到后车壁上。在传统动力系统选项上，在座椅下提供了第二个储存箱来取代电池空间。

主要的复合材料部件是由注塑制造商Flex-N-Gate制造的。据Flex-N-Gate公司工程组经理-研发塑料/金属的Steve Perucca称，该公司曾多次与丰田公司合作，生产注射成型的皮卡保险杠和其他部件。

从材料的角度来看，在Sienna上使用的巴斯夫玻璃纤维增强聚酰胺在Tundra车型上展现出成本、质量和性能之间的最佳平衡。然而，在设计过程的早期，Tundra座椅框架的额外宽度将对满足丰田的严格安全要求构成新的挑战。为了达到所需的刚度，整个框架需要非常厚——这将增加材料成本和重量，除非在承载最重负荷的区域添加某种类型的加固梁。虽然这种梁通常是金属的，增加了额外的重量，但这种类型的梁是最有意义的。拉挤复合梁最后成为最终的解决方案。

拉挤梁的研制

Salvia介绍称："我们的供应商巴斯夫向我们介绍了这种连续玻璃纤维拉挤技术，它比高碳钢具有更高的强度-重量比。”

巴斯夫给丰田团队介绍了其拉挤技术合作伙伴L&L产品公司。巴斯夫和L&L公司曾在多个项目上合作，使用巴斯夫的Elastocoat 74850聚氨酯/玻璃纤维材料来生产L&L的拉挤连续复合材料系统（CCS）产品。以前的应用包括汽车结构部件，这些部件的耐撞性是至关重要的——比如最近用于2022款全电动福特F-150闪电的电池系统的防护梁。巴斯夫相信，这一产品可以成为Tundra座椅框架的理想解决方案；然而，这种解决方案以前从未用于任何类型的汽车内部应用。

为什么是拉挤技术？L&L公司的产品工程经理Hank Richardson解释称："拉挤是最具成本效益的工艺。由于连续纤维的存在，你可以得到非常高的抗弯强度，但它的重量比铝或钢要轻，所以强度-重量比非常高。而且拉挤工艺本身相当简单--你只要经过一个工序，然后加工几个孔，然后直接进入注塑成型。它的效率非常高，这使得它具有成本效益"。

下一步是如何将拉挤梁连接到座椅框架的其余部分。紧固件会增加重量，还需要在连续纤维拉挤的部件上加工大量的孔，导致性能降低。而使用粘合剂将增加另一个固化步骤，这将增加生产周期时间。最终，作为一种解决方案，在工艺的最后加入了注塑成型的步骤。

注塑成型：工艺引领设计创新

Flex-N-Gate公司已经参与了四个主要座椅框架部件的注塑成型，并被邀请将拉挤梁注塑到框架的其他部分。在车架的其他部件被注射成型时，L&L产品公司的拉挤梁就会和车架的其他部分一起被插入一个新的模具中。注塑使用的材料是与车架其余部分相同的Ultramid材料。使用与框架其余部分相同的Ultramid材料，在横梁上面使用注塑二次成型将其连接到框架。

Flex-N-Gate公司的Steve Perucca指出，事实证明是这是一项复杂的工作，注塑工艺导致拉挤梁本身的设计要改变。最初的空心管设计在材料使用方面是最有效的，但在注射成型过程中，在15000磅/平方英寸的液压下会被压坏。为了防止在过塑过程中出现这种变形，开发了当前的帽形截面设计。

Steve Perucca指出，与Flex-N-Gate所做的其他注塑应用相比，这个项目的一个独特之处在于，注塑的作用是将拉挤梁连接到座椅靠背上，但它并不起到锁定的作用。换句话说，拉挤梁在其复合材料的外壳内仍有一定的活动自由，使其能够弯曲或对座椅的冲击作出反应。在某种程度上，它的作用有点像板簧，可以吸收冲击能。

一旦部件被设计出来，下一步就是想办法在成型过程中把拉挤梁固定住。Steve Perucca解释称："通常情况下，都是在金属上注塑成型的，你可以使用磁铁将金属固定在工具上，但现在这种情况，是不可能的。现在必须在梁上钻孔，然后对准工具上专门设计的凹槽。以这些作为导向，在工具中定位和稳定拉挤梁，防止部件在成型过程中移动。这也需要在设计中进行多次尝试，因为孔必须战略性地放置在梁的某一些区域，而这些区域在碰撞事件中承受到的应力要最小。”