CN109130986A - 由增材制造形成的座椅支撑组件 - Google Patents

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Abstract

使用打印头通过增材制造过程形成的支撑组件包括装饰物构件。主体包括经由打印头施加到装饰物构件上的多层至少一种聚合物材料。多层各自具有多个弹性聚合物材料元件。使用打印头将保护性耐磨聚合物材料盖施加在主体上。通过打印头的操作将至少一个结构元件定位在主体中。至少一个传感器定位在主体中。当打印头在增材制造过程期间移位时，通过从打印头选择性省略至少一种聚合物材料而在主体内形成至少一个通路。

Description

由增材制造形成的座椅支撑组件
引言
本公开涉及增材制造系统和方法。
目前，汽车装饰物和座椅组件由多种不同的部件创造，包括衬垫、加热丝、传感器、被添加以提供空气流的管道或通道、用于适应乘员载重和乘员支撑的不同密度特征部以及例如通过拉链、缝合接缝和/或钩环紧固件而应用于多个零件的盖。每个部件进一步增加了组装所需的时间，增加了与获取、存储和组装多个部件相关的成本，以及如果任何一个部件可用性受到阻碍时对输送的影响。
已知的车辆装饰物和座椅组件产生VOC(挥发性有机化合物)排放物，具有有限的可回收性，需要大量组装劳动力，由于在组装期间和之后访问而限制附加特征的功能集成，限制了定制整个零件的不同刚度的能力，特别是在外侧角部需要较大的弯曲半径来接收盖，并且对于组件的每个部分通常每个零件号需要约8至12个工具。
因此，尽管当前的车辆装饰物和座椅组件实现了其预期目的，但仍需要用于设计和组装车辆装饰物和座椅组件的新型和改进的系统和方法。
发明内容
根据若干方面，支撑组件包括主体，主体包括施加到可释放基板上的多层至少一种聚合物材料。保护性耐磨聚合物材料盖至少部分地施加在主体上。至少一种聚合物材料结构元件定位在主体中。至少一个传感器定位在主体中。通过选择性地省略多层至少一种聚合物材料的至少一层，在主体内形成至少一个通路。
在本公开的另一方面中，主体包括装饰物构件，并且至少一个结构元件由与主体相同的材料形成并且限定大于主体的刚度的刚度。
在本公开的另一方面中，至少一个结构元件由不同于主体的聚合物材料的聚合物材料形成，并且限定大于主体的刚度的刚度。
在本公开的另一方面中，至少一根丝线嵌入主体中。
在本公开的另一方面中，至少一根丝线限定导电聚合物材料。
在本公开的另一方面中，至少一根丝线限定嵌入为独立于多层至少一种聚合物材料的层的导电金属。
在本公开的另一方面中，至少一个传感器限定独立于多层至少一种聚合物材料而嵌入的聚合物材料。
在本公开的另一方面中，主体在支撑组件的横截面上包括至少不同的硬度、不同的密度和不同的可压缩性。
在本公开的另一方面中，至少一种聚合物材料限定氨基甲酸酯。
在本公开的另一方面中，至少一种聚合物材料限定热塑性聚氨酯(TPU)或热固性聚合物。
根据若干方面，使用打印头通过增材制造过程形成的支撑组件包括装饰物构件。主体具有经由打印头施加在装饰物构件上的多层至少一种聚合物材料，多层各自具有多个弹性聚合物材料元件。使用打印头将保护性耐磨聚合物材料盖施加在主体和装饰物构件上。通过打印头的操作将至少一个结构元件定位在主体中。至少一个传感器定位在主体中。当打印头在增材制造过程期间移位时，通过从打印头选择性省略至少一种聚合物材料而在主体内形成至少一个通路。
在本公开的另一方面中，至少一个结构元件限定大于主体的刚度的刚度。
在本公开的另一方面中，至少一个结构元件由与主体相同的材料形成，或者由与主体不同的聚合物材料形成。
在本公开的另一方面中，至少一根丝线嵌入主体中。
在本公开的另一方面中，至少一根丝线限定经由打印头施加的导电聚合物材料。
在本公开的另一方面中，弹性聚合物材料元件的各层以垂直堆叠配置或垂直交错配置中的一种来定向。
在本公开的另一方面中，至少一个传感器限定使用打印头施加的聚合物材料。
在本公开的另一方面中，主体在支撑组件的横截面上在至少硬度、密度和可压缩性方面改变；以及至少一种聚合物材料限定氨基甲酸酯。
根据若干方面，使用打印头通过增材制造过程形成的汽车车辆座椅支撑组件包括具有经由打印头施加的多层至少一种聚合物材料的主体，多层各自具有多个弹性聚合物材料元件。使用打印头将保护性耐磨聚合物材料盖施加在主体上。通过打印头的操作将至少一个结构元件定位在主体中，至少一个结构元件具有大于主体的刚度的刚度。至少一根丝线嵌入主体中，至少一根丝线限定经由打印头施加的导电聚合物材料。至少一个传感器定位在由使用打印头施加的聚合物材料形成的主体中。当打印头在增材制造过程期间移位时，通过从打印头选择性省略至少一种聚合物材料而在主体内形成至少一个通路。
在本公开的另一方面中，弹性聚合物材料元件的各层以垂直堆叠配置或垂直交错配置中的一种来定向；以及弹性聚合物材料元件的各层被施加到装饰物构件上。
根据本文提供的描述，进一步的应用领域将变得显而易见。应该理解，描述和具体实例仅用于示例的目的，而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于示例目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是使用本公开的增材制造过程制作的示例性汽车车辆乘员支撑组件的前正视图；
图2是图1汽车车辆乘员支撑组件的局部横截面前透视图；
图3是根据示例性方面的增材制造模具的前横截面正视图；
图4是具有增加的侧密封件和真空端口的图3增材制造模具的前横截面正视图；
图5是装饰物构件安装之后的图4增材制造模具的前横截面正视图；
图6是多个弹性聚合物材料元件和电子电路的嵌入的添加安装之后的图5增材制造模具的前横截面正视图；
图7是支撑层、刚性支撑元件和打开通道的添加安装之后的图6增材制造模具的前横截面正视图；
图8是刚性悬挂构件和嵌入传感器的添加安装之后的图7增材制造模具的前横截面正视图；
图9是完成增材过程、释放真空、将成品零件从模具中释放之后的图8增材制造模具的前横截面正视图；
图10是成品零件的180度旋转和装饰物构件的第一和第二臂的旋转之后的根据图9修改的前横截面正视图；
图11是图1汽车车辆乘员支撑组件的横截面侧正视图；
图12是图1汽车车辆乘员支撑组件的横截面前正视图；以及
图13是穿过示出不同材料添加层选项的图1汽车车辆乘员支撑组件而截取的一系列示例性横截面图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。
参照图1，根据本公开的原理的汽车车辆乘员支撑组件10可以限定车辆座椅构件。支撑组件10包括诸如座椅靠背的第一部分12和诸如头枕的第二部分14。第一部分12和第二部分14中的每一个都设置有保护性耐磨盖16。支撑组件10的几何形状可以与本公开的范围内所示的几何形状不同，以适应多种不同的几何形状以匹配不同的车辆设计。
参照图2并且再参照图1，支撑组件10包括使用一种或多种聚合物材料(包括但不限于氨基甲酸酯)的增材制造过程中形成的主体17，该一种或多种聚合物材料使用与多元醇组合的异氰酸酯来产生聚氨酯而制作。材料可以是热塑性聚氨酯(TPU)或热固性聚合物，并且可根据需要在支撑组件10的横截面上在硬度、密度和可压缩性方面做出改变。选择用于创造支撑组件10的材料以最小化VOC排放。主体17可以最初形成在可释放基板上，该基板允许主体17自由释放并且允许主体17含可释放基板的几何形状。支撑组件10还可以形成为具有嵌入其中的一个或多个结构元件18，其可以由与主体17相同的聚氨酯材料形成，或者可以由与主体17的材料不同的一种或多种材料形成，包括但不限于聚酰胺。根据若干方面，至少一个结构元件18限定大于主体17的刚度的刚度。
在主体17内形成一个或多个空腔或通路20，其例如用于允许空气流用于加热或冷却流，并且根据需要局部地减小支撑组件10的重量。例如用作加热元件的一根或多根丝线22可以嵌入到支撑组件10中并且根据需要布置在整个主体17中并且在外部连接至车辆的电源。支撑组件10可以进一步包括一个或多个传感器24，例如压力或温度传感器，例如用于识别乘员存在、当加热元件通电时主体17的局部温度等。支撑组件10可以包括例如辅助作为加强元件的基本刚性的悬挂构件26。应当注意，以上关于支撑组件10所讨论的每个特征在下面参照图3至图10更详细讨论的增材制造过程期间并入，用于创造支撑组件10，因此不需要后续的安装或组装来完成支撑组件10。
一般参照图3至图10，使用如下的增材制造过程来创造支撑组件10。具体参照图3，最初创造了稀疏支撑结构28，其限定了完成时具有支撑组件10所需的一般形状的模具30。模具30的外表面可以限定可释放基板。增材制造打印头32从诸如多材料存储料斗33的来源接收例如珠状形式的聚合物材料，并且将聚合物材料赋予或打印成多层以创造支撑结构28。打印头32可以被编程为从多材料存储料斗33中抽取不同的材料用于不同的道次，或者可以在打印头32的每个道次期间施加不同的材料。诸如多个电阻加热丝34的加热元件可以嵌入支撑结构28中并且连接至外部电源(未示出)，以在随后的打印头32的操作期间帮助维持支撑结构28的最小或均匀温度以用于创造支撑组件10。支撑结构28也连接至将在下面更详细描述的真空源36。
参照图4并且再参照图3，在第二步骤中，使用一个或多个侧密封构件38密封支撑结构28，一个或多个侧密封构件38以与支撑结构28的侧壁40直接密封接触的方式放置，侧壁40用于防止空气流进入支撑结构的侧面。真空端口42被添加到支撑结构28并且以与真空源36连通的方式放置。
参照图5，在随后的或第三步骤中，装饰物构件44以与支撑结构28的表面46直接接触的方式放置。由经由真空端口42连通的真空源36生成的部分真空将装饰物构件44向下(如图5所示)拉到表面46上。临时掩模48可以放置在与表面46相对的装饰物构件44上。临时掩模48具有与表面46的形状或几何形状基本匹配的形状。临时掩模48基本上抵抗空气流并且因此在最初将装饰物构件44保持与表面46接触时改善真空性能。存在于支撑结构28中的多个孔、孔口、内流路径等(由于它们的小尺寸而不可见)有助于真空源36与表面46之间的真空连通，以将装饰物构件44拉动为与表面46物理接触并且通过装饰物构件44将掩模48拉动为与装饰物构件44接触。掩模48的刚性保持装饰物构件44的期望形状。
参照图6并且再参照图3和图5，如果存在临时掩模48被移除，则电阻加热丝34可以被通电以实现支撑结构28和装饰物构件44的期望温度，并且打印头32被操作以单独地将一个或多个弹性聚合物材料元件50以非平面定向或图案打印在装饰物构件44的表面52上。一个或多个弹性聚合物材料元件50限定多层打印材料的第一层，每层打印材料都在打印头32的连续道次中制成。在打印头32的操作期间，一个或多个电子电路54、56放置在表面52上或嵌入弹性聚合物材料元件50中。电子电路54、56随后可以用作加热元件，以通电或限定一个或多个传感器等。
根据若干方面，代替单独放置预先形成的电子电路54、56中的一个，电子电路54、56本身可以使用打印头32从由多材料存储料斗33供应的导电聚合物材料的来源打印。根据进一步的方面，代替单独嵌入预先形成的传感器，打印头32也可以用于打印来自适用于诸如类似于应变计的压力传感器的传感器的材料或者来自用于创造温度传感器的一个或多个合适的材料的来源的传感器。
参照图7，使用打印头32以拓扑优化图案添加附加的弹性且刚性或硬质聚合物材料以形成附加的支撑层58。当创造支撑层58时，诸如一个或多个刚性支撑元件60的附加特征部以拓扑优化图案形成，并且材料可以在打印头32通过期间在预定位置处被省略，从而以拓扑优化图案创造一个或多个打开通道60。
参照图8，在打印刚性支撑元件60和打开通道62之后，打印头32打印悬挂构件26。允许从每个电子电路54、56延伸的引线64、66自由地向外延伸。
参照图9，在完成使用打印头32的所有打印操作之后，移除真空源36的真空，允许所完成部件68在方向70上脱离与模具30的表面46的接触。所完成部件68的面72大致匹配表面46的几何形状。可以或可以不使打印材料设置在其上的装饰物构件44的自由延伸的第一和第二臂74、76也可以被释放。
参照图10，在最终步骤中，在从图9所示的定向轴向旋转180度之后示出所完成部件68。自由延伸的第一和第二臂74、76如图所示旋转，使得第一臂74与第一侧78接触并且第二臂76与第二侧80接触。附接装置82、84可以设置在第一和第二臂74、76的自由端处，第一和第二臂74、76可以随后连接至车辆的座椅结构以完成所完成部件68的安装。
参照图11和图12，并且再参照图3，使用本公开的增材制造方法制成的支撑组件10允许将不同密度材料插入到支撑组件10的不同区域中。例如，可以在诸如头枕、靠背和尾骨支撑区域的区域中设置低密度材料86、88。可以提供高密度材料90，其中期望刚度或附加的乘员支撑，例如在需要最大乘员重量支撑的侧翼区域和臀部支撑区域。通过在打印头32的操作期间从多材料存储料斗33中选择不同的打印材料，可以在不同的打印头32位置处将这些不同密度材料选择性地添加到单个或同一道次中。
参照图13并且再参照图6和图11至图12，通过选择性地定位不同密度材料，可以获得不同的压缩强度。例如，当弹性聚合物材料元件50的各层以垂直对准或堆叠配置92定向时，在基本无负载状态94和负载状态96之间的压缩负载下的差异指示垂直堆叠配置允许弹性聚合物材料元件50的层的有限垂直压缩。
与此不同，当弹性聚合物材料元件50的各层以垂直交错配置98定向时，基本无负载状态100和负载状态102之间的压缩负载下的差异指示垂直交错配置允许与负载状态96相比的负载状态102中的弹性聚合物材料元件50的层的基本垂直压缩。因此，在支撑组件10的不同层中使用垂直堆叠与垂直交错的弹性聚合物材料元件50可以在不同区域提供不同的压缩支撑。可以通过选择性地控制打印头32在每层中的沉积材料来实现呈垂直堆叠与垂直交错配置的弹性聚合物材料元件50的这种定位。
除了图13所示的垂直堆叠配置之外，可以使用其它几何配置，例如棱锥、四面体、圆顶等。这提供了在系统内部的具有任何格构类型的选项。也可以选择格构的几何配置来改变系统的刚度，以及提供改变系统的能量反弹的能力。这提供了一个系统，该系统涉及为不仅提供支撑，而且还提供不同的动态响应，例如减少或消除振动以及减少或消除高振幅颠簸影响。
虽然在此为了示例性目的而描述为汽车车辆座椅和座垫，但是本公开的支撑组件10不限于用在汽车车辆中。作为进一步的非限制性实例，支撑组件10还可以用于船舶、草坪和园艺设备、卡车座椅、公交车座椅、飞机座椅、能量吸收垫、赛车和具有为了更好的控制而保持容纳驾驶员的定制制作座椅的类似车辆、具有定制涉及的能量吸收支撑座垫的军用车辆、办公室家具、家庭家具、包括甲板家具的户外用品、枕头、诸如床垫的被褥部件、体育场座椅、礼堂和剧院座椅、学校和教堂座椅以及一个人可以坐在其上或者需要转移或吸收能量的坐垫用品。
使用本公开的增材制造方法制成的支撑组件10提供了若干优点。这些措施包括VOC排放的大幅消除、提高的可回收性、为随着部件设计的改变而添加进一步的特征部的附加劳动力的消除、特征部的开放功能集成、改变整个零件任何期望区域中的材料刚度的能力、根据美学要求加入锐角的能力、在期望减少部件重量或密度或者提供通风管道路径的地方的空隙的添加、所需组装工具的消除以及为各个用户和不同模型之间定制每个部件的能力。
本公开的描述在本质上仅仅是示例性的，并且不偏离本公开主旨的变型旨在落入本公开的范围内。不将这种变型认为是脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种支撑组件，包括：
主体，所述主体包括施加到可释放基板上的多层至少一种聚合物材料；
至少部分地施加在所述主体上的保护性耐磨聚合物材料盖；
定位在所述主体中的至少一种聚合物材料结构元件；
定位在所述主体中的至少一个传感器；以及
通过选择性地省略所述多层所述至少一种聚合物材料的至少一层而在所述主体内形成的至少一个通路。
2.如权利要求1所述的支撑组件，其中，所述主体包括装饰物构件，并且其中，所述至少一个结构元件由与所述主体相同的材料形成并且限定大于所述主体的刚度的硬度。
3.如权利要求1所述的支撑组件，其中，所述主体包括装饰物构件，并且其中，所述至少一个结构元件由不同于所述主体的所述聚合物材料的聚合物材料形成并且限定大于所述主体的刚度的硬度。
4.如权利要求1所述的支撑组件，进一步包括嵌入所述主体中的至少一根丝线。
5.根据权利要求4所述的支撑组件，其中，所述至少一根丝线限定导电聚合物材料。
6.如权利要求4所述的支撑组件，其中，所述至少一根丝线限定嵌入为独立于所述多层至少一种聚合物材料的层的导电金属。
7.如权利要求1所述的支撑组件，其中，所述至少一个传感器限定独立于所述多层至少一种聚合物材料而嵌入的聚合物材料。
8.如权利要求1所述的支撑组件，其中，所述主体在所述支撑组件的横截面上包括至少不同的硬度、不同的密度和不同的可压缩性。
9.如权利要求1所述的支撑组件，其中，所述至少一种聚合物材料限定氨基甲酸酯。
10.如权利要求9所述的支撑组件，其中，所述至少一种聚合物材料限定热塑性聚氨酯(TPU)或热固性聚合物。
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