CN108790987B - 由生物纤维复合材料制成的座椅结构 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及由生物纤维复合材料制成的座椅结构。一种交通工具座椅框架包括背板和附接到背板的载荷承载部件。背板包括第一聚合物基体和设置在第一聚合物基体中的第一多根纤维。载荷承载部件包括第二聚合物基体和设置在第二聚合物基体中的第二多根纤维。

Description

由生物纤维复合材料制成的座椅结构
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月4日提交的序列号为62/501,243的美国临时申请的权益，并且要求于2018年3月12日提交的DE 10 2018 203 703.5的优先权，这些申请的公开内容据此通过引用以其整体并入本文。
技术领域
在至少一个方面中，本发明涉及交通工具座椅，在该交通工具座椅中，结构部件由生物纤维复合材料制成的结构部件替换。
背景
客户需要更轻和更小的设计，以及与可持续材料的整合。此外，钢焊接工艺是劣化焊接区域附近的公差和材料性能的决定性工艺。在第20110229698号和第20020060445号美国专利申请中公开了生物可降解树脂复合材料。
概述
通过在至少一个实施方案中提供其中部件由生物纤维复合材料替换的交通工具座椅框架，本发明解决了现有技术的一个或更多个问题。该交通工具座椅框架包括背板和附接到背板的载荷承载部件。背板包括第一聚合物基体和设置在第一聚合物基体中的第一多根纤维。载荷承载部件包括第二聚合物基体和设置在第二聚合物基体中的第二多根纤维。
本发明的实施方案允许交通工具座椅靠背的几乎所有钢部分(和碳纤维结构)由生物纤维制成的部分替换。此外，部分的数量可以通过部件的智能化构造(壳状物或管状物设计)来减少，从而使得可以将多个功能整合到单个部件中。有利地，生物复合材料设计不使用焊接工艺，从而避免高温效应。斜躺部分(仍由钢制成)和生物纤维后座椅之间的连接可以通过连接板的结合、包覆模制和/或通过螺纹装配来实现。最后，由拓扑优化过程和可获得的生物形态得到更好的设计，从而更好的舒适性和更薄的泡沫变得可行。有利地，本文阐述的生物复合材料设计导致重量减轻。
附图说明
图1是使用纤维编织管状物(fiber braided tube)的型材生物纤维复合材料交通工具框架设计的示意图；
图2是定制纤维缝合(tailored fiber stitching，TFP)壳状物生物纤维复合材料交通工具框架设计的示意图；
图3是具有泡沫芯部的夹层式二维编织生物纤维复合材料交通工具框架设计的示意图；和
图4是热塑性生物纤维复合材料交通工具框架设计的示意图。
详细描述
现将详细地参考本发明的目前优选的组成、实施方案和方法，该组成、实施方案和方法构成发明人目前已知的实践本发明的最佳方式。附图不一定是按比例的。然而，应理解，所公开的实施方案仅是可以按各种形式和可选形式实施的本发明的示例。因此，本文所公开的具体细节不应被理解为限制性的，而是仅作为本发明的任何方面的代表性基础，和/或作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。
除了在示例中、或者以其它方式明确表明的地方之外，本说明书中表示材料或反应条件和/或使用条件的量的所有数值量应理解为由词“大约(about)”修饰以描述本发明的最宽泛范围。在所陈述的数值限度内的实践通常是优选的。另外，除非明确地相反阐明：百分比、“...的部分”和比例值是按重量计；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”以及类似物；对于任何提供聚合物所提供的分子量是指重量平均分子量，除非另外指明；对于与本发明有关的给定目的是适合或优选的一组或一类材料的描述意味着该组或该类的成员中的任何两个或更多个的混合物同样是适合的或优选的；化学术语中成分的描述是指在添加到描述中所指定的任何组合时的成分，并且不一定排除混合后混合物的成分之间的化学相互作用；首字母缩写词或其它缩写词的第一个定义适用于本文中相同缩写词的所有后续使用，并且在必要的修改后适用于初始定义的缩写词的常见语法变体；并且除非明确地相反阐明，否则性能的测量通过与在前文或后文提到的针对同一性能的技术相同的技术来确定。
还应理解，本发明并不局限于以下所描述的具体实施方案和方法，因为具体的部件和/或条件无疑可以变化。另外，本文所使用的术语仅为了描述本发明的特定实施方案而使用并且不意图以任何方式限制。
还必须注意的是，当在说明书和所附权利要求书中使用时，除非上下文清楚地指明与之不同，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数指示物。例如，以单数形式提及部件意在包括多个部件。
术语“包括(comprising)”是“包括(including)”、“具有(having)”、“包含(containing)”或“以...为特征(characterized by)”的同义词。这些术语是包容性和开放性的，并且不排除另外的、未被引用的要素或方法步骤。
短语“由...组成(consisting of)”不包括权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。当该短语出现在权利要求的正文中一个子句中而不是紧接在前序部分之后时，它仅限制该子句中阐述的要素；整体上其它要素并不从该权利要求被排除。
短语“基本上由...组成(consisting essentially of)”将权利要求的范围限于所指定的材料或步骤，加上不实质影响所要求保护的主题的基本的和新颖的特征的那些材料或步骤。
关于术语“包括(comprising)”、“由...组成(consisting of)”和“基本上由...组成(consisting essentially of)”，在该三个术语中的一个在本文被使用的情况下，当前公开的和所要求保护的主题可以包括使用其它两个术语中的任一个。
缩写：
“PA”是聚酰胺。
“PET”是指聚对苯二甲酸乙二醇酯。
“PE”是指聚乙烯。
“PLA”是指聚乳酸。
“PHA”是指聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates)。
“PHB”是指聚羟基丁酸酯(polyhydroxybutyrate)。
术语“生物纤维(bio fiber)”是指自然界中存在的植物的、动物的或矿物的纤维。通常，这些纤维用于工程应用。
总的来说，本发明的实施方案提供了由生物纤维复合材料形成的交通工具座椅结构框架。交通工具座椅结构框架包括背板和附接到背板的载荷承载部件。背板包括第一聚合物基体和设置在第一聚合物基体中的第一多根纤维。载荷承载部件包括第二聚合物基体和设置在第二聚合物基体中的第二多根纤维。
参考图1，提供了使用纤维编织管状物的型材设计的示意图。交通工具座椅框架部件10包括背板12和结合到背板的载荷承载部件14。背板12的几何结构是具有或不具有肋的复杂整体式片材(complex monolithic sheet)。背板12包括第一聚合物基体16和设置在第一聚合物基体16中的第一多根生物纤维18。在一个改进方案中，多根生物纤维18包括各向同性定向的(isotropically oriented)纤维。背板12还可以包含网状物(net)以提高冲击性能。载荷承载部件14的几何结构是封闭的型材(closed profile)。载荷承载部件14包括嵌入第二聚合物基体24中的一对弯曲的或S形(sigmoidal-shaped)的编织生物纤维管状物20、22(“双S形弯曲的(a double S-curved)”载荷路径)，每个编织生物纤维管状物中的生物纤维26可选地相对于沿管状物长度方向的轴线a1(“S形路径”)成角度(例如，+/-15°)。在一个改进方案中，每个生物纤维管状物中的生物纤维26相对于沿管状物长度方向的轴线a1以约+/-5度至+/-80度的角度成角度。在另一个改进方案中，每个生物纤维管状物中的生物纤维26相对于沿管状物长度方向的轴线a1以约+/-10度至+/-45度的角度成角度。在一个变型中，背板12由片状模制料(sheet molding compound)(例如，玻璃纤维增强聚酯)形成。在另一变型中，承载部件14通过包覆编织预成型工艺(over-braiding preforming process)随后进行树脂传递模制(resin transfer molding)而形成。在这种变型中，插入件的一体化(insert integration)会需要泡沫芯部。在一个改进方案中，可以使用编织套(无插入件)。在一些变型中，背板中的生物纤维是短的，具有大于0(例如，1mm)至50mm的长度，而载荷承载部件14中的生物纤维是长的且连续的(例如，>5cm)。在一个变型中，背板中的生物纤维是短的，具有1mm至50mm的长度。在该变型的改进方案中，载荷承载部件14中的生物纤维具有大于或等于5cm的长度。在另一个改进方案中，载荷承载部件14中的生物纤维具有5cm至25cm或更大的平均长度(例如，生物纤维是连续丝状物(filament))。
参考图2，提供了定制纤维缝合或定制纤维铺放(tailored fiber stitching orplacement，TFP)壳状物设计的示意图。交通工具座椅框架部件30包括背板32和结合到背板的载荷承载部件34。背板32是整体式壳状物(monolithic shell)，其包括第一聚合物基体36和设置在第一聚合物基体36中的第一多根生物纤维38。在一个改进方案中，多根生物纤维38包括基本上彼此平行的长的(例如，>5cm)连续生物纤维。在一些变型中，生物纤维38可以相对于轴线a2以0至+/-90°(例如，0°、+/-45°、+/-90°)的各种角度定向，以产生纤维的准各向同性布置(quasi-isotropic arrangement)。在一个改进方案中，生物纤维38相对于轴线a2以约+/-5度至+/-80度的角度定向，以产生纤维的准各向同性布置。在另一个改进方案中，生物纤维38相对于轴线a2以约+/-10度至+/-45度的角度定向，以产生纤维的准各向同性布置。
如图2所示，载荷承载部件34包括由嵌入第二聚合物基体44中的多根生物纤维42形成的开放的(例如，U形)生物纤维壳状物40。生物纤维42是长的(例如，>5cm)连续的生物纤维，其基本上彼此平行并且平行于开放的生物纤维壳状物40的长度方向的轴线a3。在一个变型中，载荷承载部件34通过定制纤维缝合(TFP)预成型工艺随后进行树脂传递模制而形成，并且其中背板由树脂传递模制和/或湿压缩模制(wet compression molding)形成。在一个改进方案中，TFP镶嵌物(inlay)封闭开放的生物纤维壳状物并增强机械性能。
参考图3，提供了夹层式二维编织设计的示意图。交通工具座椅框架部件50包括背板52，背板52与附接到其的载荷承载部件54成一体。背板52是整体式壳状物，其包括聚合物基体56和布置在聚合物基体56中的第一多根生物纤维58。在一个改进方案中，多根生物纤维58包括基本上彼此平行的长(例如，>5cm)的连续生物纤维。在一些变型中，生物纤维58可以相对于轴线a4以0至+/-90°(例如，0°、+/-45°、+/-90°)的各种角度定向，以产生纤维的准各向同性布置。在一个改进方案中，生物纤维58相对于轴线a4以约+/-5度至+/-80度的角度定向，以产生纤维的准各向同性布置。在另一个改进方案中，生物纤维58相对于轴线a4以约+/-10度至+/-45度的角度定向，以产生纤维的准各向同性布置。
仍然参考图3，载荷承载部件54是整体式壳状物，其包括一对弯曲或S形二维编织生物纤维壳状物60、62，该一对弯曲或S形二维编织生物纤维壳状物60、62包括嵌入第二聚合物基体66中的生物纤维64。每个编织生物纤维壳状物中的生物纤维64可选地相对于沿壳状物长度方向的轴线a4成角度(例如，+/-15°)。在一个改进方案中，载荷承载部件54还包括泡沫芯部68。在一个变型中，载荷承载部件54通过二维编织(“Litze”)预成型工艺然后进行树脂传递模制而形成。
参考图4，提供了热塑性设计的示意图。交通工具座椅框架部件70包括背板72，背板72与载荷承载部件74成一体。背板72和载荷承载部件74各自包括聚合物基体76和设置在聚合物基体76中的第一多根生物纤维78。在一个改进方案中，多根生物纤维78包括基本上彼此平行的长的(例如，>5cm)连续的生物纤维。在一些变型中，生物纤维78相对于轴线以0度定向。在一个改进方案中，载荷承载部件包括设置在其表面上的肋80。在一个改进方案中，肋由含有或不含有纤维的PE/PA制成。在一个变型中，载荷承载部件74通过铺带预成型工艺(tape-laying preform process)然后进行压缩模制和注射包覆模制来形成。
在上文所述的每个变型和改进方案中，背板的第一多根生物纤维、载荷承载部件的第二多根生物纤维以及图4的肋的生物纤维可以各自独立地选自由亚麻纤维(Flaxfibers)、大麻纤维(Hemp fibers)、洋麻纤维(Kenaf fibers)及其组合组成的组。此外，背板的第一聚合物基体、载荷承载部件的第二聚合物基体和图4的肋的聚合物基体各自独立地为生物塑料。此类生物塑料的示例包括但不限于(生物)-PET((Bio)-PET)、(生物)-PE((Bio)-PE)、PLA、PHA、PHB及其组合。
虽然上面描述了示例性实施方案，但是并非意图这些实施方案描述了本发明的所有可能的形式。而是，在说明书中使用的词语是描述性的词语而非限制性的词语，并且应理解，可做出各种变化而不偏离本发明的精神和范围。此外，各种实现的实施方案的特征可被组合以形成本发明的另外的实施方案。
在下文的一个或多个实施方案中可实现本公开的各方面。
1)一种交通工具座椅，包括：
背板，其包括第一聚合物基体和布置在所述第一聚合物基体中的第一多根生物纤维；和
载荷承载部件，其附接到所述背板，所述载荷承载部件包括第二聚合物基体和设置在所述第二聚合物基体中的第二多根生物纤维。
2)根据1)所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件包括嵌入所述第二聚合物基体中的一对弯曲的或S形的编织生物纤维管状物，其中每个编织生物纤维管状物中的生物纤维相对于沿管状物长度的轴线成角度。
3)根据2)所述的交通工具座椅，其中，所述背板被结合到所述载荷承载部件，并且所述第一多根生物纤维包括各向同性定向的纤维。
4)根据3)所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件通过包覆编织预成型工艺随后进行树脂传递模制而形成，并且其中，所述背板由片状模制料形成。
5)根据3)所述的交通工具座椅，其中，所述背板中的所述第一多根生物纤维具有大于0至50mm的长度。
6)根据1)所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件包括嵌入所述第二聚合物基体中的开放的生物纤维壳状物，所述开放的生物纤维壳状物包括连续生物纤维，所述连续生物纤维基本上彼此平行且平行于所述开放的生物纤维壳状物的长度方向的轴线。
7)根据6)所述的交通工具座椅，其中，所述背板被结合到所述载荷承载部件，并且所述第一多根生物纤维包括基本上平行的连续生物纤维。
8)根据7)所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件通过定制纤维缝合(TFP)预成型工艺随后进行树脂传递模制而形成，并且其中所述背板由树脂传递模制和/或湿压缩模制形成。
9)根据8)所述的交通工具座椅，其中，TFP镶嵌物封闭所述开放的生物纤维壳状物并且增强机械性能。
10)根据1)所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件与所述背板成一体，所述载荷承载部件包括嵌入所述第二聚合物基体中的一对弯曲的或S形的二维编织生物纤维壳状物，每个生物纤维壳状物中的生物纤维连续且基本上彼此平行，并且可选地相对于沿壳状物长度方向的轴线成角度。
11)根据10)所述的交通工具座椅，其中，所述第一多根生物纤维包括彼此准各向同性的连续纤维。
12)根据11)所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件还包括泡沫芯部。
13)根据11)所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件通过二维编织(“Litze”)预成型工艺随后进行树脂传递模制而形成。
14)根据1)所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件与所述背板成一体，所述载荷承载部件包括嵌入所述第二聚合物基体中的一对弯曲的或S形的生物纤维壳状物，每个生物纤维壳状物中的连续生物纤维基本上彼此平行，所述载荷承载部件包括设置在其表面上的肋。
15)根据14)所述的交通工具座椅，其中，所述肋由含有或不含有纤维的PE/PA制成。
16)根据15)所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件通过铺带预成型工艺随后进行压缩模制和注射包覆模制而形成。
17)根据1)至16)中任一项所述的交通工具座椅，其中，所述第一多根生物纤维和所述第二多根生物纤维各自独立地选自由亚麻纤维、大麻纤维、洋麻纤维及其组合组成的组。
18)根据1)至17)中任一项所述的交通工具座椅，其中，所述第一聚合物基体和所述第二聚合物基体各自独立地为生物塑料。
19)根据1)至17)中任一项所述的交通工具座椅，其中，所述第一聚合物基体和所述第二聚合物基体各自独立地选自由(生物)-PET、(生物)-PE、PLA、PHA、PHB及其组合组成的组。

Claims (21)

1.一种交通工具座椅，包括：
背板，其包括第一聚合物基体和布置在所述第一聚合物基体中的第一多根生物纤维；和
载荷承载部件，其附接到所述背板，所述载荷承载部件包括第二聚合物基体和设置在所述第二聚合物基体中的第二多根生物纤维，其中所述载荷承载部件具有以下配置中的一种：
i）所述载荷承载部件包括嵌入所述第二聚合物基体中的一对弯曲的或S形的编织生物纤维管状物，其中每个编织生物纤维管状物中的生物纤维基本上彼此平行且相对于沿管状物长度的轴线成角度；或者
ii）所述载荷承载部件包括嵌入所述第二聚合物基体中的开放的生物纤维壳状物，所述开放的生物纤维壳状物包括连续生物纤维，所述连续生物纤维基本上彼此平行且平行于所述开放的生物纤维壳状物的长度方向的轴线；或者
iii）所述载荷承载部件与所述背板成一体，所述载荷承载部件包括嵌入所述第二聚合物基体中的一对弯曲的或S形的二维编织生物纤维壳状物，每个生物纤维壳状物中的生物纤维连续且基本上彼此平行；或者
iv）所述载荷承载部件与所述背板成一体，所述载荷承载部件包括嵌入所述第二聚合物基体中的一对弯曲的或S形的生物纤维壳状物，每个生物纤维壳状物中的连续生物纤维基本上彼此平行，所述载荷承载部件包括设置在其表面上的肋。
2.根据权利要求1所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件具有配置i），其中每个编织生物纤维管状物中的生物纤维相对于沿管状物长度的轴线以-10度至-45度或10度至45度成角度。
3.根据权利要求1所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件具有配置i），所述背板被结合到所述载荷承载部件，并且所述第一多根生物纤维包括各向同性定向的纤维。
4.根据权利要求3所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件通过包覆编织预成型工艺随后进行树脂传递模制而形成，并且其中，所述背板由片状模制料形成。
5.根据权利要求3所述的交通工具座椅，其中，所述背板中的所述第一多根生物纤维具有大于0且上至50mm的长度。
6.根据权利要求1所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件具有配置ii），并且所述连续生物纤维具有大于5cm的长度。
7.根据权利要求1所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件具有配置ii），所述背板被结合到所述载荷承载部件，并且所述第一多根生物纤维包括基本上平行的连续生物纤维。
8.根据权利要求7所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件通过定制纤维缝合预成型工艺随后进行树脂传递模制而形成，并且其中所述背板由树脂传递模制和/或湿压缩模制形成。
9.根据权利要求8所述的交通工具座椅，其中，定制纤维缝合镶嵌物封闭所述开放的生物纤维壳状物并且增强机械性能。
10.根据权利要求1所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件具有配置iii），并且每个生物纤维壳状物中的生物纤维相对于沿壳状物长度方向的轴线成角度。
11.根据权利要求1所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件具有配置iii），并且所述第一多根生物纤维包括彼此准各向同性的连续纤维。
12.根据权利要求11所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件还包括泡沫芯部。
13.根据权利要求11所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件通过二维编织预成型工艺随后进行树脂传递模制而形成。
14.根据权利要求1所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件具有配置iv），并且每个生物纤维壳状物中的连续生物纤维具有大于5cm的长度。
15.根据权利要求1所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件具有配置iv），并且所述肋由含有或不含有纤维的PE/PA制成。
16.根据权利要求15所述的交通工具座椅，其中，所述载荷承载部件通过铺带预成型工艺随后进行压缩模制和注射包覆模制而形成。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的交通工具座椅，其中，所述第一多根生物纤维和所述第二多根生物纤维各自独立地选自由亚麻纤维、大麻纤维、洋麻纤维及其组合组成的组。
18.根据权利要求1至16中任一项所述的交通工具座椅，其中，所述第一聚合物基体和所述第二聚合物基体各自独立地为生物塑料。
19.根据权利要求17所述的交通工具座椅，其中，所述第一聚合物基体和所述第二聚合物基体各自独立地为生物塑料。
20.根据权利要求1至16中任一项所述的交通工具座椅，其中，所述第一聚合物基体和所述第二聚合物基体各自独立地选自由生物PET、生物PE、PLA、PHA、PHB及其组合组成的组。
21.根据权利要求17所述的交通工具座椅，其中，所述第一聚合物基体和所述第二聚合物基体各自独立地选自由生物PET、生物PE、PLA、PHA、PHB及其组合组成的组。
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