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随着对提高汽车燃油效率和环境可持续性的需求不断增长，需要通过创新的设计和制造工艺来减轻汽车部件的重量。
本研究利用数值迭代设计优化和金属聚合物复合材料的混合增材制造-压缩包覆成型(AM-CM)技术来减轻汽车座椅靠背的重量。AM-CM工艺可实现金属和复合材料之间的牢固机械联锁，具有高刚度和强度以及低整体密度。用这种金属聚合物复合材料代替金属部件可以实现相当的机械性能，同时显着减轻整体重量。
首先，使用拓扑优化将汽车座椅靠背设计空间缩小到关键承载区域，并使用有限元分析确定高应力集中区域。接下来，为高应力集中区域设计轻质金属聚合物子部件。然后迭代优化具有空间异质材料特定设计的整个座椅靠背框架，以在最大限度减轻重量的同时提高刚度。
总体而言，采用位置特定的金属、聚合物和金属聚合物复合材料设计的汽车座椅靠背框架比纯金属设计轻20%，同时具有相似的刚度。
近年来，汽车对轻量化的兴趣日益浓厚，以提高燃油效率和环境可持续性[1]，[2]减轻汽车结构重量可直接提高燃油效率，使其成为一种经济高效的运输方式，同时还可最大限度地减少生产过程中的材料消耗。减轻重量还有助于减少二氧化碳排放[3]，[4]。然而，这种收益不能以牺牲机械性能和安全性为代价，而机械性能和安全性是汽车制造的基础。因此，对各种结构部件的设计和制造进行全面研究对于在不损害安全性的情况下开发省油的轻型汽车至关重要。
现有文献中的许多研究致力于研究一系列汽车零部件的优化，包括前保险杠[5]、下臂[6]、底盘[7]、门[8]和其他[9]，[10]，[11]，[12]，其总体目标是增强车辆的轻量化特性。在车辆的各种结构部件中，市售的汽车座椅靠背完全由冲压金属部件组成，为减轻整体重量提供了有希望的途径。在金属冲压中，冲压机的工具和模具将平板金属板形成净形状，然后在多个位置焊接和螺栓连接在一起以组装整个座椅靠背框架。为了在不影响机械性能的情况下减轻座椅靠背的重量，一种以金属聚合物复合混合材料形式出现的显着替代传统金属部件的替代品应运而生[13]，[14]，[15]，[16].金属聚合物复合材料具有优异的机械性能，例如高强度、模量和能量吸收能力，既能利用聚合物复合材料的高比强度，又能利用金属的韧性和延展性。由此产生的混合材料所表现出的机械性能是单个成分无法实现的。为此，将金属嵌件与聚合物复合材料相结合，对于设计轻型、高性能的汽车部件具有巨大的潜力。
金属聚合物复合材料可以通过使用紧固件、粘合剂或焊接方法连接不同的材料来制造[17]，[18]，[19]或通过包覆成型工艺，通常通过注射进行[20]，[21]，[22]或压缩成型[23]在包覆成型中，基板或预制组件（称为插入件）与另一种材料一起成型，以创建单一的集成混合结构。这允许根据几何特征将多种材料在平面内或平面外互锁在一起。在各种制造技术中，包覆成型因其能够生产出具有出色美观性的无缝集成混合组件而成为首选方法。它还减少了组装步骤的数量，从而提高了成本效率。然而，由于设计自由度有限、无法控制复合材料部件中的纤维取向以及不同成分之间的界面结合较差，使用传统的复合材料制造技术在预先存在的金属部件上进行复合材料的包覆成型具有挑战性[24]，[25]文献中已有多项研究致力于克服这些缺点，并尝试使用环氧树脂解决弱界面粘合问题[26]、表面处理[27]以及集成金属-聚合物3D打印[28]。
最近，Pokkalla等人[29]，提出了一种结合增材制造和压缩成型的新型机械联锁包覆成型技术，以下简称AM-CM。AM-CM工艺最初由Kumar等人提出。[30]通过控制纤维和孔隙形态来增强复合材料的机械性能。在金属聚合物复合材料的AM-CM中，使用大规模增材制造技术制备聚合物复合材料预制件[31]，[32]，然后使用压缩成型将其包覆成型在具有定制几何形状的金属嵌件上。与传统制造工艺相比，该方法具有多种优势，包括通过实现复杂的结构几何形状、大规模定制和废物最小化来实现设计自由，以及通过以预定模式沉积来控制纤维排列[33]，[34]，[35]。该工艺还能够通过机械联锁实现金属和聚合物复合材料界面之间的优异结合，而无需任何额外的结合机制。
2.1增材制造-压缩包覆成型
图1增材制造-压缩二次成型(AM-CM)工艺：(a)对带有星形突起的金属嵌件拉伸试样进行粘合剂喷射，(b)大面积增材制造碳纤维增强ABS (40% wt. CF/PA66)，(c)在金属晶格顶部对聚合物复合材料进行压缩包覆成型，以获得金属-聚合物复合板
2.2数值分析与设计优化
图2.对20% wt. CF/ABS聚合物复合材料座椅靠背的初步分析：（a）座椅靠背几何的设计空间，（b）载荷和边界条件，（c）合成位移轮廓
图3.由20% wt. CF/ABS 和4mm厚的金属支架组成的聚合物复合材料座椅靠背的最终轮廓：(a) von Mises 应力，(b)最终位移，(c)应变，和(d)金属支架
图4.通过拓扑优化减少带金属支架的聚合物复合材料座椅靠背的设计空间
图5.（a）汽车座椅靠背框架的概念设计；（b）概念设计中的包覆成型子部件的示意图
3.1子部件设计优化
图6.整个迭代设计优化过程中的座椅靠背子部件设计
图7.各种子部件设计的von Mises 应力云图
表1.座椅靠背子部件的重量和最大位移
3.2全椅背框架设计优化
图8.座椅靠背框架的迭代设计优化：（a）座椅靠背框架设计、（b）结果位移轮廓线、（c）应变轮廓线和（d）通过有限元分析获得的von Mises应力轮廓线
表2.整个座椅靠背框架的重量和最大位移
图10.优化的座椅靠背子部件示意图，带有附加法兰，用于固定到座椅靠背框架的其余部分。
增材制造—压缩包覆成型 (AM-CM) 技术使座椅靠背重量减轻了20%，并且刚度更高。
拓扑优化将椅背设计简化至关键承载区域。
新的金属嵌件设计使混合复合材料能够实现无粘合剂机械联锁。
通过制造金属-聚合物复合材料证明了金属嵌件设计的可行性。
来源：原文 Design optimization of lightweight automotive seatback through additive manufacturing compression overmolding of metal polymer composites 期刊：Composite Structures,Volumes 349–350, 1 December 2024, 118504
DOI:https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118504
汽车材料网翻译整理
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