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巴斯夫、Flex-N-Gate、豐田和L&L產品公司憑借2022年豐田Tundra™上的復合座椅靠背設計被提名為2023年JEC創新獎的汽車與道路運輸-設計部分的決賽選手。此前，該項目因在減重方面的成就而獲得2022年Altair Enlighten獎和2022年SPE汽車創新獎。
豐田公司工程設計底盤組經理Vik Bhatia介紹稱："拉擠復合技術使我們能夠設計出比以前的車型輕20%的座椅結構，并達到我們的成本目標。巴斯夫、L&L產品公司和Flex-N-Gate是偉大的合作伙伴，幫助我們實現了目標。"
該座椅結構是L&L產品公司連續復合系統™（CCS™）技術的第一個汽車內飾應用，該技術使用巴斯夫的聚氨酯拉擠系統Elastocoat® 74850。CCS是一種纖維增強的復合材料載體，具有高度工程化的密封劑和粘合劑的二維輪廓。在這一應用中，它與巴斯夫的沖擊改性聚酰胺6 Ultramid® B3ZG7 CR疊加在一起，形成了60%座椅背的三維形狀。
L&L產品部產品工程經理Hank Richardson表示："通過這種合作關系，我們能夠取消包含60個沖壓和焊接部件的全鋼組件，并把這些零件整合成四個復合材料部件，從而減少與金屬座椅結構相關的組裝和廢料成本。這也使得座椅系統的功能更強。"
巴斯夫公司高性能材料部熱塑性復合材料技術負責人Kipp Grumm表示："我們將不斷地展示拉擠技術如何能夠提供輕質、經濟的解決方案以及綜合功能。座椅結構中的注塑包覆拉擠梁的獨特設計也通過了所有相關的碰撞測試要求，為復合材料在汽車應用中的更多采用打開了大門?！?/p>
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豐田Tundra™座椅靠背展現了下一代汽車復合材料設計理念
隨著越來越多的電動汽車和混合動力汽車進入市場并上路，汽車OEM廠商正越來越多地探索使用復合材料來減輕各種部件的重量，以幫助提升車輛的續航能力。
豐田汽車北美研發部的高級工程經理John Salvia解釋稱，2018年，他所在的Ann Arbor工廠的豐田工程師們開始對 "下一代皮卡 "進行頭腦風暴。他說："我們開始研究什么是未來最有效的設計，并特別試圖設想如何使第二排或第三排座椅的車輛設計更高效、更具成本效益?！彼麄冊u估了一系列材料，包括鋁、碳鋼和各種纖維增強復合材料。
客戶體驗也是一個關鍵的考慮因素。在開發2022款的Tundra時，John Salvia指出，上一車型的客戶反饋表明他們希望在車廂內有更多的專用存儲空間。然而，這一愿望也必須與事實相平衡，那就是在Tundra的新混合動力選項中，電池組將被安置在后座的下面。
由于初始目標是成本效益高、制造效率高、重量輕、設計靈活以實現更多的存儲空間等，纖維增強復合材料成為首要的材料選項。
John Salvia表示："當然，我們的口袋里已經有一個成熟的復合材料案例"。2021年豐田Sienna小客車的第三排座椅框架是由35%短玻璃纖維填充的聚酰胺6（PA6）注塑而成的，這一材料是與巴斯夫公司合作開發的。Sienna座椅框架獲得了2020年Altair Enlighten獎中的模塊類獎項，以及2021年SPE創新獎中的車身內飾類獎項。Sienna座椅框架被稱贊為用兩件式復合材料部件取代了以前車型的16件式鋼制組件，重量減輕了30%。巴斯夫的玻璃纖維填充Ultramid B3ZG7 CR PA6塑料是專門為這一項目而開發的。
據巴斯夫運輸市場部經理Jeffrey Hagar稱，之所以選擇復合材料作為Sienna的座椅框架主要是為了輕量化。鋼制的第三排座椅太重了，客戶在需要時無法輕易折疊或拆除它們。Jeffrey Hagar稱，一個解決方案是安裝一個機械馬達來折疊第三排座椅，但這將增加重量。因此開發更輕的復合材料是一種解決方案。
Jeffrey Hagar說，在這次成功之后，豐田團隊再次向巴斯夫提出了一個新的項目構想，"這次有一個更大的目標"。
具體來說，豐田公司的目標就是開發一種新的座椅框架設計。與以前的鋼架Tundra第二排座椅靠背相比，新座椅框架重量減少了20%，提高了可制造性，為客戶增加了專用的存儲空間，并使整體結構強度增加一倍。
與Sienna相比，最大的挑戰是什么？Tundra皮卡根本就比小客車大很多。皮卡的第二排座椅的框架需要比Sienna的第三排座椅寬出30%。
材料與設計，始于Sienna
John Salvia解釋道：“座椅系統是一個相當復雜的設計系統，因此座椅系統工程師的困難是平衡許多不同的挑戰與目標。”
Tundra是60/40座椅設計，這是汽車后排座椅的常見設計，意味著座椅被分為兩個主要部分——一個占60%的空間，另一個占40%。
John Salvia說："當你看到我們如何設計一個鋼制座椅結構時，首先你從核心部件結構梁開始，然后你通過在鋼結構梁上焊接來增加形狀或電子原件或任何你需要的功能。你把設計拼湊在一起，從設計的角度來看是很有效的，但是當你進入制造階段時，你會發現有許多小的結構焊接，以及大量的零件處理和質量檢查。"
設計過程從手繪草圖開始，最終數字化并通過數字模擬工具進行虛擬驗證。John Salvia解釋說：由于材料發揮了非常重要的作用，巴斯夫在設計過程中的作用也同樣是巨大的。Jeffrey Hagar指出："豐田公司開發了設計和造型，而巴斯夫優化了材料設計，并提供了工程方面的最佳實踐。”
在研究Sienna的過程中，巴斯夫使用其內部的UltraSim軟件，根據碰撞要求對其幾種現成的材料進行建模，并很快意識到需要一種新等級的材料。Jeffrey Hagar說：“我們從我們的基礎Ultramid開始，我們能夠對樹脂和玻璃纖維的方向，以及它們如何相互連接進行一些修改?！?/p>
對于Tundra皮卡，巴斯夫首先用Ultramid B3ZG7 CR 35%玻璃纖維增強PA6材料進行了新的模擬試驗。"我們有來自Sienna的大約一年的現場信息，并且知道我們在市場上的現場故障率為零，所以我們相信這也是適合Tundra的材料等級。"
為了便于制造，座椅框架部件將由這種新材料注塑而成。選擇像Sienna那樣使用注塑成型的復合材料，可以將60多個單獨的金屬部件優化為只有四個復合材料部件——兩個座椅背架和兩個座椅墊架——通過金屬支架連接，再加上坐墊和內置儲物選項的額外部件。
John Salvia指出，復合材料座椅框架的設計靈活性也使人們有機會在2022年的Tundra上有效地增加新的儲物箱選項。在該車的混合動力系統選項上，電池被安置在第二排坐墊下，一個專用的聚丙烯儲存箱被連接到后車壁上。在傳統動力系統選項上，在座椅下提供了第二個儲存箱來取代電池空間。
主要的復合材料部件是由注塑制造商Flex-N-Gate制造的。據Flex-N-Gate公司工程組經理-研發塑料/金屬的Steve Perucca稱，該公司曾多次與豐田公司合作，生產注射成型的皮卡保險杠和其他部件。
從材料的角度來看，在Sienna上使用的巴斯夫玻璃纖維增強聚酰胺在Tundra車型上展現出成本、質量和性能之間的最佳平衡。然而，在設計過程的早期，Tundra座椅框架的額外寬度將對滿足豐田的嚴格安全要求構成新的挑戰。為了達到所需的剛度，整個框架需要非常厚——這將增加材料成本和重量，除非在承載最重負荷的區域添加某種類型的加固梁。雖然這種梁通常是金屬的，增加了額外的重量，但這種類型的梁是最有意義的。拉擠復合梁最后成為最終的解決方案。
拉擠梁的研制
Salvia介紹稱："我們的供應商巴斯夫向我們介紹了這種連續玻璃纖維拉擠技術，它比高碳鋼具有更高的強度-重量比?！?/p>
巴斯夫給豐田團隊介紹了其拉擠技術合作伙伴L&L產品公司。巴斯夫和L&L公司曾在多個項目上合作，使用巴斯夫的Elastocoat 74850聚氨酯/玻璃纖維材料來生產L&L的拉擠連續復合材料系統（CCS）產品。以前的應用包括汽車結構部件，這些部件的耐撞性是至關重要的——比如最近用于2022款全電動福特F-150閃電的電池系統的防護梁。巴斯夫相信，這一產品可以成為Tundra座椅框架的理想解決方案；然而，這種解決方案以前從未用于任何類型的汽車內部應用。
為什么是拉擠技術？L&L公司的產品工程經理Hank Richardson解釋稱："拉擠是最具成本效益的工藝。由于連續纖維的存在，你可以得到非常高的抗彎強度，但它的重量比鋁或鋼要輕，所以強度-重量比非常高。而且拉擠工藝本身相當簡單--你只要經過一個工序，然后加工幾個孔，然后直接進入注塑成型。它的效率非常高，這使得它具有成本效益"。
下一步是如何將拉擠梁連接到座椅框架的其余部分。緊固件會增加重量，還需要在連續纖維拉擠的部件上加工大量的孔，導致性能降低。而使用粘合劑將增加另一個固化步驟，這將增加生產周期時間。最終，作為一種解決方案，在工藝的最后加入了注塑成型的步驟。
注塑成型：工藝引領設計創新
Flex-N-Gate公司已經參與了四個主要座椅框架部件的注塑成型，并被邀請將拉擠梁注塑到框架的其他部分。在車架的其他部件被注射成型時，L&L產品公司的拉擠梁就會和車架的其他部分一起被插入一個新的模具中。注塑使用的材料是與車架其余部分相同的Ultramid材料。使用與框架其余部分相同的Ultramid材料，在橫梁上面使用注塑二次成型將其連接到框架。
Flex-N-Gate公司的Steve Perucca指出，事實證明是這是一項復雜的工作，注塑工藝導致拉擠梁本身的設計要改變。最初的空心管設計在材料使用方面是最有效的，但在注射成型過程中，在15000磅/平方英寸的液壓下會被壓壞。為了防止在過塑過程中出現這種變形，開發了當前的帽形截面設計。
Steve Perucca指出，與Flex-N-Gate所做的其他注塑應用相比，這個項目的一個獨特之處在于，注塑的作用是將拉擠梁連接到座椅靠背上，但它并不起到鎖定的作用。換句話說，拉擠梁在其復合材料的外殼內仍有一定的活動自由，使其能夠彎曲或對座椅的沖擊作出反應。在某種程度上，它的作用有點像板簧，可以吸收沖擊能。
一旦部件被設計出來，下一步就是想辦法在成型過程中把拉擠梁固定住。Steve Perucca解釋稱："通常情況下，都是在金屬上注塑成型的，你可以使用磁鐵將金屬固定在工具上，但現在這種情況，是不可能的?，F在必須在梁上鉆孔，然后對準工具上專門設計的凹槽。以這些作為導向，在工具中定位和穩定拉擠梁，防止部件在成型過程中移動。這也需要在設計中進行多次嘗試，因為孔必須戰略性地放置在梁的某一些區域，而這些區域在碰撞事件中承受到的應力要最小。”
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