3D 필라멘트 와인딩으로 차량 좌석 개념 구현

지속 가능성과 환경적 책임은 자동차 산업의 기술 동향을 주도하는 데 점점 더 널리 퍼지고 있습니다. 저에너지 및 저공해 차량은 국제 자동차 부문의 우선 순위가 되었으며 전기 이동성 및 도시 항공 이동성(UAM)과 같은 대체 운송 기술에 대한 추세가 탄력을 받고 있습니다. OEM은 이러한 미래의 여행 모드를 가능하게 하는 새로운 재료와 공정을 찾고 있지만 자동차 부문의 변화는 종종 느리게 진행됩니다. 새로운 재료와 공정이 완전히 채택되기 위해서는 자격을 갖추어야 할 뿐만 아니라 비용 효율적이어야 하며 대량 생산이 가능해야 합니다.

초경량 시트. Ultra Leichtbausitz(ULBS) 좌석 개념은 기술 조합을 사용하는 여러 회사 간의 협력을 통해 개발되었습니다. 출처 | csi entwicklungstechnik

최근 하이퍼카, 에어택시와 같은 신흥 시장뿐만 아니라 자동차 부문에 대한 잠재력이 있는 혁신적인 프로젝트는 신소재, 프로세스 및 기술, 기업 간의 긴밀한 협력이 차세대 운송 수단을 가능하게 하는 방법을 보여주었습니다. 이 프로젝트의 목표는 최첨단 생성 기술을 사용하여 카시트를 완전히 재고하고, 및 결과를 빨리 얻을 수 있습니다. 그 결과로 생성된 초경량 금속 복합 하이브리드 차량 시트 프로토타입은 시뮬레이션 중심 설계 접근 방식, 민첩한 프로젝트 관리 방법 및 관련 회사 간의 긴밀한 협력 및 시스템 통합을 통해 설계에서 제조에 이르기까지 단 7개월 만에 개발되었습니다.

더 나은 좌석 만들기

ULBS(Ultraleichtbausitz) 초경량 시트 타당성 연구는 기술 조합을 사용하는 여러 회사 간의 협업을 통해 개발되었습니다. 이 프로젝트의 비전은 그룹의 말을 빌리면 "중량 최적화 측면에서 시장에서 탁월한 초경량 시트 컨셉을 만드는 것"이었습니다. 초기 회사인 csi entwicklungstechnik GmbH(csi, Neckarsulm, Germany), Alba Tooling &Engineering(Forstau, 오스트리아) 및 Automotive Management Consulting(AMC, Penzberg, 독일)은 Covestro(독일 레버쿠젠), LBK Fertigung과 협력하여 프로토타입 좌석 개념을 개발했습니다. (독일 프리드버그), 로버트 호프만 (독일 리히텐펠스) 및 3D|CORE (독일 허포드).

협업 프로젝트는 쿠션, 구조적 프레임, 기능적 인서트 및 차량에 장착할 수 있는 좌석 콘솔을 포함하는 10kg이 약간 넘는 무게의 좌석 프로토타입을 생성했습니다. 시트는 시장에 나와 있는 동급 경량 시트보다 20% 더 가볍습니다. 그 중 많은 부분이 애프터마켓 시트입니다. CSI에서 경량 설계를 책임지고 있는 ULBS 프로젝트 리더인 Stefan Herrmann에 따르면 현재 시장에는 12kg 미만의 경쟁 좌석이 없습니다.

Herrmann은 “그러나 애프터마켓 시트는 종종 무게 정의에 좌석 콘솔을 포함하지 않기 때문에 직접적인 비교는 종종 사과 대 사과가 아닙니다.”라고 말합니다. “또한 ULBS의 착석 편안함은 비슷한 무게. 기존 좌석은 무게는 더 낮지만 편안하지 않은 버킷 시트나 훨씬 더 높은 무게를 지닌 기존의 슈퍼스포츠 시트인 경우가 많습니다.”

ULBS는 3D의 공정 기술 xFK를 기반으로 하는 파이버 로빙 스켈레톤 구조가 가장 두드러진 역할을 하는 몇 가지 혁신적인 기술을 특징으로 합니다. (3D의 xFK 및 기타 필라멘트 와인딩 기술에 대한 자세한 내용은 "재창조된 필라멘트 와인딩"을 참조하십시오.) 무한 파이버 로빙 증착을 위한 수상 경력에 빛나는 기술의 근본적인 중요성은 시뮬레이션 기반 및 재료 기반 설계의 자유에 있습니다. 섬유 재료의 단순하고 비용 효율적이며 낭비 없는 적용뿐만 아니라 하중 방향으로의 최적화된 섬유 배치. 이 프레임워크 구조에서 하중 전달을 위해 3D 인쇄 부품이 사용되었습니다. 등받이 부속품과 같이 하중이 가장 큰 영역에서 시트는 고강도 및 고탄성률의 스테인리스 스틸로 만들어진 3D 인쇄 구조를 사용합니다. 부하가 적은 영역에서는 알루미늄 3D 프린팅이 사용됩니다.

csi entwicklungstechnik은 CFRP(탄소섬유강화폴리머) 및 적층가공 등의 사업영역을 가진 자동차 내외장재는 물론 BIW(차량 차체) 구조를 전문으로 하는 엔지니어링 회사로, AMC가 시작한 아이디어. csi는 프로젝트를 위한 스타일링, 표면 처리, 개념, 시뮬레이션, 디자인 엔지니어링 및 프로젝트 관리를 제공했습니다.

Herrmann은 다음과 같이 설명합니다. "csi는 스타일 지정, 엔지니어링 설계, 표면 설계, CAE 시뮬레이션, 토폴로지 시뮬레이션, 검증 시뮬레이션 및 프로젝트의 가상 확인과 같은 디지털 프로세스 체인 영역의 작업 패키지를 담당했습니다."

그는 ULBS 프로젝트를 주목할만한 이유는 혁신적인 재료와 제조 방법의 사용뿐만 아니라 파트너 간의 긴밀한 협력을 통해 짧은 7개월 내에 새로운 구성 요소 설계로 구성된 복잡한 부품의 개발이라고 강조합니다.

필라멘트로 감긴 시트 프레임. ULBS 프로젝트의 중량 감소는 대부분 AMC의 3D 섬유 권선 공정 기술 xFK 덕분입니다. 출처 | csi entwicklungstechnik

프레임 감기

ULBS 프로젝트에서 무게 감소의 대부분은 권선 구성 요소를 위한 매우 유연하고 구성 가능하며 비용 효율적이며 지속 가능한 섬유 복합 기술인 AMC의 xFK in 3D 덕분입니다.

3D의 xFK는 이미 다양한 산업 및 시장 부문의 다양한 제품 및 애플리케이션에 사용되었습니다. SGL Group Wiesbaden, Germany)는 국제 복합 재료 전시회 JEC World 2018에서 이 기술을 통해 제조된 여러 자동차 및 자전거 부품을 전시했습니다. 전시된 부품 중 하나인 AMC에서 개발한 탄소 섬유 자전거 체인 링은 최대 70%까지 무게를 줄인다고 합니다. 알루미늄 버전과 비교됩니다.

권선 부싱. 열경화성 수지가 함침된 섬유 로빙은 위치 고정 장치 주위에 감겨 있어 섬유가 각 부품의 하중과 원하는 기능에 맞게 배열될 수 있습니다. 출처 | csi entwicklungstechnik

3D 공정의 xFK는 열경화성 수지가 함침된 연속 섬유를 사용하여 낭비 없는 방식으로 하중 지지 구조를 감습니다. 에폭시 수지로 포화된 파이버 로빙은 위치 고정 장치 또는 와인딩 부싱 주위에 감겨 있어 각 부품의 하중과 원하는 기능에 맞게 파이버를 특별히 배열할 수 있습니다.

Herrmann은 "3D에서 xFK의 한 가지 주요 이점은 하중 전달 및 구조물의 하중 도입과 관련된 약점을 제거한다는 것입니다."라고 말합니다. 그는 약점이 종종 구조의 연속체에 있는 것이 아니라 구조에 하중이 가해지는 영역, 특히 인접 구성요소가 구조에 연결되는 영역에 있다고 설명합니다.. 3D 기술의 xFK는 연결을 통한 하중 전달을 가능하게 하고 원하는 구성 요소 기능 및 하중 케이스에 따라 섬유를 정렬하고 3차원으로 제조할 수 있도록 합니다.

필라멘트 와인딩 프로세스는 추가 이점도 제공합니다. 이 프로세스는 재료 낭비를 최소화하는 데 도움이 됩니다. 섬유 로빙의 1% 미만이 낭비됩니다.

csi는 3D의 강점에서 xFK를 인식하고 AMC의 기술 책임자인 Dr. Clause Georg Bayreuther의 컨설팅 하에 ULBS 시트 프레임을 구성하도록 설계했습니다.

"csi 엔지니어, AMC 컨설턴트 및 Alba의 툴링 전문가와 협력하여 3D 프로세스에서 xFK를 사용하여 제조할 시트 프레임에 대한 이 개념과 구조를 개발했습니다."라고 기술 컨설턴트이자 3D 기술에서 xFK의 이니시에이터인 Peter Fassbaender가 말했습니다.

Alba는 CFRP 시트 프레임용 툴링을 제조하고 엔지니어링 지원을 제공했습니다. 또한 시트 프레임이 탄소 섬유로 감겨 있지만 천연 섬유 또는 현무암 섬유도 좋은 후보입니다.

새로운 기술. ULBS 프로토타입은 IRC(Intralaminar Reinforcing Core) 소재로 만든 후면 패널 쉘과 열가소성 폴리우레탄(TPU)으로 만든 3D 프린팅 시트 등받이 쿠션을 포함한 새로운 기술의 조합을 사용합니다. 출처 | csi entwicklungstechnik

하이브리드 재료 구조

프레임 외에도 ULBS 프로토타입에는 몇 가지 다른 새로운 혁신이 포함되어 있습니다. 툴링을 공급한 알바는 시트의 발포체 바디에 대한 툴링, 엔지니어링 및 제조도 공급하고 시트 조립을 수행했다. 섬유 양털 매트가 시트의 CFRP 프레임을 덮고 3D 인쇄된 PUR 폼 커버로 덮입니다. 시트 쿠션 부분은 전통적인 폼으로 만들어졌습니다.

시트 등받이의 후면 패널 쉘 구조에 IRC(Intralaminar Reinforcing Core) 소재인 3D|CORE를 사용하여 추가 중량 감소를 달성했습니다. 이 재료는 IRC(Intra-Laminar Reinforcing Core) 재료로, 압출 폴리스티렌(XPS)과 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 폼 코어 본체를 통합된 벌집 패턴으로 구성하는 구조적 샌드위치 코어입니다. 복합 부품을 생산하는 동안 벌집 구조는 수지로 채워져 높은 층내 강도를 생성합니다. 3D|Core는 두 개의 유리 섬유 층 사이에 조립되어 VA-RTM(진공 보조 수지 이송 성형)을 사용하여 열가소성 에폭시 수지가 주입되는 예비 성형품을 만듭니다.

Covestro는 3D 인쇄된 등받이 쿠션뿐만 아니라 섬유 양털 매트용 바인더로 Dispercoll 접착제를 공급했습니다. Herrmann에 따르면 Dispercoll의 기계적 특성은 우수한 내마모성을 제공하며, 이는 쿠션과 프레임 사이의 표면 접촉이 시간이 지남에 따라 양털이 마모될 수 있기 때문에 중요합니다.

“단일 섬유 로빙이 있는 경우 이를 텍스타일에 넣으면 단단한 CFRP 부품과 플리스 매트 사이에 미세한 움직임이 생깁니다. 시트 프레임 구성 요소가 직물에 마찰되어 섬유를 파괴할 수 있습니다.”라고 Herrmann은 설명합니다.

기존 좌석은 일반적으로 쿠션을 지지하는 표면적이 더 넓으며 이러한 문제가 없습니다. 그러나 3D에서 xFK를 사용하면 프레임 구조로 인해 접촉 표면적이 더 작습니다.

“3D 구조의 xFK가 플리스 패브릭을 밀어낼 때 특정하고 내구성 있는 바인더가 있어야 합니다. 이것이 바로 Dispercoll이 이 맥락에서 제공하는 것입니다.”라고 Herrmann이 덧붙입니다.

Covestro는 또한 세계 최초의 3D 인쇄 쿠션이라고 불리는 것을 공급했습니다. 기존의 도구 집약적인 폼이 시트 등받이에 일반적으로 사용되는 반면, TPU(열가소성 폴리우레탄)로 만들어진 3D 인쇄 시트 등받이 쿠션을 사용하면 미학과 관련하여 ULBS 시트의 유연성과 적응성이 더욱 향상됩니다. 기능적 통합 옵션과 편안함.

미래를 위한 좌석

ULBS 프로젝트는 몇 가지 목표를 달성합니다. 그 결과로 나온 개념은 아직 시장에 출시되지 않았지만 하이퍼카, 에어택시, 초경량 차량, 마이크로모빌리티, 헬리콥터, 멀티콥터와 같은 수많은 틈새 시장에 서비스를 제공할 잠재력이 있습니다. 항공. 생산 카시트보다 확실히 비싸긴 하지만 ULBS는 폐기물을 최소화하여 재료 비용을 낮추는 여러 기술을 보여줍니다. 다른 탄소 섬유 기술과 비교할 때 3D의 xFK는 폐기물 양이 매우 적습니다. 사실, 전체 프로젝트는 최소한의 자원과 필요한 최소한의 재료만 사용하는 것을 목표로 합니다. ULBS는 또한 프레임 구조의 천연 섬유, 쿠션 및 직물과 같은 재생 가능하고 지속 가능한 자원을 사용할 수 있는 가능성을 제공합니다.

그러나 더 중요한 것은 이 프로젝트에서 기업이 짧고 민첩한 조정 절차를 통해 협력함으로써 시장 출시 시간을 최소화할 수 있는 방법을 보여줍니다. 또한 기능적 요구 사항에 중점을 두고 미래의 애플리케이션 및 지속 가능성 목표를 내다봄으로써 아이디어에서 하드웨어 프로토타입까지 제품을 성공적으로 만들기 위해 디자인 사고를 사용하는 좋은 예이기도 합니다.