Revolutionaire voertuigzitplaatsen met 3D-filamentwindingstechnologie

Duurzaamheid en milieubewustzijn worden steeds meer drijfveren van technologie trends in de auto-industrie. Laag-energie en lage-emissie voertuigen zijn een prioriteit voor de internationale autosector, en trends naar alternatieve transporttechnologieën zoals electromobiliteit en stedelijke luchtmobiliteit (UAM) krijgen momentum. OEMs kijken naar opkomende materialen en processen als enabler voor deze toekomstige reismodi, maar verandering in de autosector is vaak traag. Voor nieuwe materialen en processen om volledig geadopteerd te worden, moeten ze niet alleen gekwalificeerd zijn, ze moeten kosteneffectief zijn en hoge-volume productie mogelijk maken.                     

Ultra lichte zitplaats. Het Ultra Leichtbausitz (ULBS) zitconcept werd ontwikkeld door een samenwerking tussen meerdere bedrijven met een combinatie van technologieën. Bron | csi entwicklungstechnik

Onlangs toonde een innovatief project met potentieel voor de autosector — alsook opkomende markten zoals hypercars en air-taxis — aan hoe nieuwe materialen, processen en technologieën, en nauwe samenwerking tussen bedrijven, next-generation transportmodi mogelijk kunnen maken. Het doel van het project was om een autostoel volledig te herdenken met behulp van high-tech generatieve technologieën, en dit te doen met alleen zoveel van het juiste materiaal als nodig op de juiste plek — en om resultaten snel te behalen. De resulterende ultra-lichte, metaal-composiet hybride voertuigzitplaats-prototype werd ontwikkeld, van ontwerp tot productie, in slechts zeven maanden, door een simulatie-gedreven ontwerpbenadering, agile projectmanagement methoden en nauwe samenwerking en systeemintegratie tussen de betrokken bedrijven. 

Een betere zitplaats bouwen

De Ultraleichtbausitz (ULBS) ultra-lichte zitplaats haalbaarheidsstudie werd ontwikkeld door een samenwerking tussen meerdere bedrijven met een combinatie van technologieën. De visie van het project was, in woorden van de groep, “een ultra-licht zittingsconcept te creëren, uitstekend op de markt in termen van gewichtsoptimalisatie.” Initierende bedrijven csi entwicklungstechnik GmbH (csi, Neckarsulm, Duitsland), Alba Tooling & Engineering (Forstau, Oostenrijk) en Automotive Management Consulting (AMC, Penzberg, Duitsland) ontwikkelden het prototype zitconcept in samenwerking met Covestro (Leverkusen, Duitsland), LBK Fertigung (Friedberg, Duitsland), Robert Hofmann (Lichtenfels, Duitsland) en 3D|CORE (Herford, Duitsland).

Het samenwerkingsproject resulteerde in een zitplaatsprototype met een gewicht van iets meer dan 10 kilogram, inclusief de kussen, structurele frame, functionele inserts en de zitconsole waarmee het aan een voertuig bevestigd kan worden. De zitplaats is 20% lichter dan vergelijkbare lichte zitplaatsen op de markt, waarvan veel aftermarket zitplaatsen zijn. Volgens ULBS-projectleider Stefan Herrmann, verantwoordelijk voor lichtgewichtontwerp bij CSI, zijn er momenteel geen concurrenterende zitplaatsen op de markt die minder dan 12 kilogram wegen.

“Echter, een directe vergelijking is vaak niet appels-met-appels, omdat aftermarket zitplaatsen vaak de zitconsole niet in de gewichtsdefinitie opnemen,” zegt Herrmann, “Ook is het zitcomfort van de ULBS veel hoger vergeleken met zitplaatsen met vergelijkbaar gewicht. Bestaande zitplaatsen zijn vaak bucket-zitplaatsen, die nog lichter zijn maar niet zo comfortabel, of traditionele supersportzitplaatsen, die een veel hoger gewicht hebben.”

De ULBS heeft diverse innovatieve technologieën, waarvan de vezelroving-skeletstructuur gebaseerd op proces technologie xFK in 3D de meest prominente rol speelt. (Zie “Filamentwinding, heruitgevonden” voor meer over xFK in 3D en andere filamentwindingtechnologieën.) Het fundamentele belang van de prijswinnende technologie voor oneindige vezelroving-afzetting ligt in haar ontwerpvrijheid, in de simulatie-gedreven en gemateriaal-geoptimaliseerde vezelplaatsing precies in belastingsrichting alsmede in de eenvoudige, kostenefficiënte en afvalvrije toepassing van vezelmateriaal. Voor de krachtoverdracht in deze raamstructuur zijn 3D-geprinte onderdelen gebruikt. In gebieden met de hoogste belasting, zoals de rugleuning bevestigingen, gebruikt de zitplaats 3D-geprinte structuren van roestvrij staal met hoge sterkte en hoge modulus. In minder belaste gebieden wordt aluminium 3D-printen gebruikt.

csi entwicklungstechnik, een ingenieursbureau gespecialiseerd in voertuig body-in-white (BIW) structuren, alsook automotive interieurs en exterieurs met bedrijfsgebieden waaronder koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP) en additieve productie, begeleide en coordineerde het project gebaseerd op het idee geïnitieerd door AMC. csi leverde de styling, surfacing, concept, simulatie, ontwerpingen en projectmanagement voor het project.

Herrmann legt uit: “csi was verantwoordelijk voor de werkpakketten in het domein van de digitale procesketen — styling, engineering design, surfacing design, CAE simulatie, topologie simulatie, validatie simulatie en virtuele bevestiging van het project.”

Hij benadrukt dat wat het ULBS-project opmerkelijk maakt niet alleen het gebruik van innovatieve materialen en productiemethoden is, maar de ontwikkeling van een complex onderdeel dat nieuwe componentontwerpen omvat binnen een korte zeven-maandentijdsbestek door nauwe samenwerking tussen partners.

Filament gewonden zitframe. Een groot deel van de gewichtsreductie in het ULBS-project is het resultaat van AMC’s vezelwinding proces technologie xFK in 3D. Bron | csi entwicklungstechnik

Een frame winden

Een groot deel van de gewichtsreductie in het ULBS-project is het resultaat van AMC’s xFK in 3D, een hoogst flexibele, configureerbare, kosteneffectieve en duurzame vezelcomposiet technologie voor het winden van componenten..

xFK in 3D is al gebruikt voor een verscheidenheid aan producten en toepassingen voor diverse industrieën en marktsegmenten. SGL Group (Wiesbaden, Duitsland) toonde diverse auto- en fietsonderdelen geproduceerd via deze technologie op de internationale composietenbeurs JEC World 2018. Een van de getoonde onderdelen, een koolstofvezel fiets kettingring ontwikkeld door AMC, zou het gewicht met 70% kunnen reduceren ten opzichte van een aluminiumversie.

Winden van busjes. Een thermoharde hars-geïmpregneerde vezelroving wordt gewonden rond een positioneringsbevestiging, waardoor vezels gerangschikt kunnen worden om aan elk onderdeel’s belasting en gewenste functies te voldoen. Bron | csi entwicklungstechnik

Het xFK in 3D proces windt belastingsdragende structuren op een afvalvrije manier met behulp van thermoharde hars-geïmpregneerde continue vezels. Een met epoxihars verzadigde vezelroving wordt gewonden rond een positioneringsbevestiging, of winding bushings, waardoor vezels specifiek gerangschikt kunnen worden om aan elk onderdeel’s belasting en gewenste functies te voldoen, en in drie dimensies geproduceerd.

“Een groot voordeel van xFK in 3D is de eliminatie van zwakke punten betreffende krachtoverdracht en krachtinvoering in structuren,” zegt Herrmann. Hij legt uit dat zwakke punten vaak niet in het continuum van de structuur liggen, maar in de gebieden waar belasting in de structuur wordt ingevoerd, vooral waar burencomponenten met de structuur verbonden zijn. De xFK in 3D technologie stelt krachtoverdracht over verbindingen mogelijk en laat vezels toe om te worden uitgelijnd volgens de gewenste componentfuncties en belastinggevallen, en in drie dimensies geproduceerd.

Het filamentwindingproces levert extra voordelen op. Het proces helpt materiaalverspilling te minimaliseren — minder dan 1% van de vezelroving wordt verspild.

csi erkende xFK in 3D’s sterktes en ontwierp het ULBS zitframe om te worden geconstrueerd onder consultancy van Dr. Clause Georg Bayreuther, technologiehoofd van AMC. 

“In samenwerking met csi ingenieurs, AMC consultants en Alba’s tooling experts ontwikkelden dit concept en structuur voor het zitframe om te worden gefabriceerd met het xFK in 3D proces,” zegt Peter Fassbaender, technologieconsulent en initiatiefnemer van xFK in 3D technologie.

Alba produceerde de tooling voor het CFRP zitframe en leverde engineeringondersteuning. Ook, hoewel het zitframe gewonden was van koolstofvezel, zijn natuurlijke vezels of basaltvezels ook goede kandidaten.

Nieuwe technologieën. Het ULBS prototype gebruikt een combinatie van nieuwe technologieën waaronder een rugpaneel schaal gemaakt van intralaminar versterkende kern (IRC) materiaal, en 3D-geprinte rugleuning kussens gemaakt van thermoplastisch polyurethaan (TPU). Bron | csi entwicklungstechnik

Een hybride materiaalstructuur

Naast het frame, omvat het ULBS-prototype diverse andere innovaties. Alba, die de tooling leverde, leverde ook de tooling, engineering en fabricage voor de schuimlichaam van de zitplaats en voerde de zitplaats’ montage uit. Een vezelvliesmat bedekt het CFRP-frame van de zitplaats wat vervolgens bedekt wordt door een 3D-geprint PUR-schuimhoes. Het zitkussengedeelte is gemaakt van traditionele schuim.

Verder gewichtsreductie werd bereikt door het gebruik van 3D|CORE, een intralaminar versterkende kern (IRC) materiaal, in de rugpaneel schaalstructuur van de rugleuning. Het materiaal is een intra-laminar versterkende kern (IRC) materiaal — een structurele zandwichkern die bestaat uit geëxtrudeerd polystyreen (XPS) en polyethyleentereftalaat (PET) schuimkernlichamen in een geïntegreerd honingraatpatroon. Tijdens de productie van composietonderdelen wordt de honingraatstructuur gevuld met hars, wat resulteert in hoge intra-laminare sterkte. De 3D|Core wordt gemonteerd tussen twee lagen glasvezel om een preform te creëren, die geïmpregneerd wordt met thermoharde epoxihars met behulp van vacuum-geassisteerde resin transfer molding (VA-RTM).

Covestro leverde zijn Dispercoll lijm als binder voor de vezelvliesmatten, alsook het 3D-geprinte rugleuningkussen. Volgens Herrmann bieden Dispercoll’s mechanische eigenschappen goede slijtvastheid, wat belangrijk is omdat oppervlaktecontact tussen het kussen en frame de vliezen over tijd kan laten slijten.

“Als u een enkele vezelroving heeft, en u plaatst die in een textiel, krijgt u micromicrobewegingen tussen de harde CFRP-onderdelen en de vliezenmatten. De zitframecomponenten kunnen wrijven tegen het textiel en het vernietigen,” legt Herrmann uit.

Traditionele zitplaatsen hebben meestal een groter oppervlak dat de bekleding ondersteunt, en hebben dit probleem niet. Met xFK in 3D is er echter een kleiner contactoppervlak door de framestructuur.

“Wanneer xFK in 3D structuren tegen de vliezenstof duwen, moet u een specifieke en duurzame binder hebben; dit is wat Dispercoll in deze context biedt,” voegt Herrmann toe.

Covestro leverde ook wat gezegd wordt de wereld’s eerste 3D-geprinte kussen. Terwijl conventionele en tooling-intensieve schuim typisch gebruikt wordt in rugleuningen, verhoogt het gebruik van de 3D-geprinte rugleuningkussens, gemaakt van TPU (thermoplastisch polyurethaan), de flexibiliteit en aanpasbaarheid van de ULBS zitplaats met betrekking tot esthetiek, functionele integratieopties en comfort.

Een zitplaats voor de toekomst

Het ULBS-project bereikt meerdere doelen. Het resulterende concept, hoewel nog niet op de markt, heeft het potentieel om talloze nisemarkten te bedienen zoals hypercars, air-taxis, ultra-lichte voertuigen, micromobiliteit, helikopters, multicopters en luchtvaart. Waarbij erkend duurder is dan productie-auto zitplaatsen, demonstreert de ULBS diverse technologieën die afval minimaliseren, waardoor materiaalkosten dalen. In vergelijking met andere koolstofvezels technologieën levert xFK in 3D een heel lage hoeveelheid afval op. In feite is het gehele project gericht op het gebruik van minimaal hulpbronnen en alleen het noodzakelijke minimum aan materiaal. De ULBS biedt ook de mogelijkheid om hernieuwbare en duurzame hulpbronnen zoals natuurlijke vezels in de framestructuur, kussens en textiel te gebruiken.

Maar nog belangrijker, het project demonstreert hoe bedrijven time-to-market kunnen minimaliseren door samen te werken via korte en agile coördinatieprocedures. Het is ook een goed voorbeeld van het gebruik van design thinking om een product succesvol van idee naar hardware-prototype te brengen door te focussen op functionele eisen en vooruit te kijken naar toekomstige toepassingen en duurzaamheidsdoelen.