Gehakte koolstofvezel, polyamide en innovatie herdefiniëren het moderne pick-up truckbed

Gevraagd naar het meest uitdagende aspect van de CarbonPro met koolstofvezel versterkte thermoplastische (CFRTP) composiet pick-up box, die debuteerde op de GMC Sierra AT4 2019 met kort bed (crew-cab) (off-road) en Sierra Denali halve ton pick-ups, lacht Mark Voss, engineering group manager van geavanceerde structurele composieten en pick-up boxes bij General Motors Co. (GM, Detroit, Mich., V.S.). "De meest uitdagend deel?” hij vraagt. “Elk onderdeel van dit project was uitdagend. Alles was nieuw:we hadden nieuwe ontwerpcriteria, nieuwe specificaties voor impact en achterste barrière, plus we hadden een nieuw materiaal en proces. Elk onderdeel van het ontwerpproces was op een of ander moment een uitdaging. De resultaten spreken echter voor zich:de CarbonPro-box is een baanbrekende uitvoering.”

Teambenadering

Voss, die eerder werkte aan composiettoepassingen voor Corvette, weet het een en ander over innovatie en praat met het management om nieuwe dingen te proberen. Vanaf 2011 was hij betrokken bij de eerste onderhandelingen en later bij het gezamenlijke ontwikkelingswerk met Teijin Ltd. (Tokyo, Japan) om automobieltoepassingen te commercialiseren voor Teijin's toen nieuw ontwikkelde Sereebo CFRTP-plaatcomposiet (zie "Sereebo CFRTP-bladen:'Saving the Earth' ”). Drie jaar van wat Voss 'leercycli' noemt - het uitvoeren van proeven en evaluaties, het vinden en aanpakken van problemen, en vervolgens het uitvoeren van meer proeven en evaluaties - volgden voordat de teamleden het gevoel hadden dat ze begrepen hoe het materiaal zich gedroeg en waar ze het moesten gebruiken. Toen gingen ze op zoek naar een applicatie en platform voor het debuut van Sereebo in de auto-industrie. Tegen 2015 hadden ze de pick-upbox geïdentificeerd voor het modeljaar 2019 Sierra Denali als ideaal.

Er waren een aantal factoren die tot de beslissing hebben geleid. Ten eerste was er de schaalvoordelen, aangezien lichte vrachtwagens (pick-ups en SUV's) het snelst groeiende, meest winstgevende segment van passagiersvoertuigen in Noord-Amerika vertegenwoordigen. Ten tweede, aangezien vrachtwagens body-on-frame gebruiken in plaats van monocoque constructie, is de doos niet geïntegreerd in de body-in-white, dus het vereist niet de thermische prestaties om E-coat te overleven - de elektroforetische corrosiecoating die op het chassis wordt aangebracht componenten aan het begin van de voertuigbouw. Ten derde, aangezien de doos zich buiten het passagierscompartiment bevindt, zouden impacttests en belastingsgevallen minder streng zijn dan die voor de cabinestructuur zelf, waardoor het een minder risicovolle locatie is om een ​​nieuw materiaal en nieuw proces uit te proberen. Ten slotte, aangezien de klanten van GMC over het algemeen technologie omarmen die zowel hightech als luxueus is, wordt van hen verwacht dat ze alle unieke functies verwelkomen die het team van plan was.

Voss beschrijft een "echte teambenadering" van het materiaal- en procesontwikkelingswerk dat nodig was om de CarbonPro te realiseren. Dat team omvatte GM, Teijin en vormer Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Mich., VS), die zich in 2015 bij de inspanningen voegden om het proces te commercialiseren dat GM en Teijin samen ontwikkelden en om de CarbonPro-doos te produceren. CSP, dat in 2017 door Teijin werd gekocht, heeft een lange geschiedenis in het produceren van andere composiet pick-up dozen in sheet molding compound (SMC).

Evoluerende technologie

Sereebo is een plaatvormig composiet met een polyamide 6 (PA6)-matrix versterkt met onderbroken / gehakte koolstofvezel (25 millimeter, 24K sleep). Het vezelbed is beschreven als zeer goed verdeeld, waardoor het materiaal isotrope eigenschappen heeft, afhankelijk van hoe het is gevormd.

De thermoplastische matrix biedt veel voordelen. Ten eerste, omdat ze voorgepolymeriseerd worden geleverd, vormen thermoplasten veel sneller dan thermoharders, die polymeriseren en verknopen in het gereedschap. Het nadeel van voorgepolymeriseerde polymeren is echter dat moleculaire ketens langer, stijver en meer verward zijn, dus het is moeilijker om een ​​goede vezelbevochtiging te krijgen. Daarom is de vezelvolumefractie meestal lager dan bij thermoharders. Ten tweede hebben thermoplasten ook vaak een lagere dichtheid dan thermoharders, wat bijdraagt ​​aan lichtgewichtmogelijkheden. Het belangrijkste is dat thermoplasten veel betere oppervlakken uit het gereedschap produceren, waardoor de aanzienlijke nabewerking - zoals schuren en schilderen - die vaak nodig zijn bij thermohardende composieten, wordt geëlimineerd. Bovendien verlengt een "taai" polymeer zoals PA6 de thermische prestaties en verhoogt het de weerstand tegen beschadiging in vergelijking met polypropyleen, de meest voorkomende matrix voor thermoplastische composieten die in de auto-industrie worden gebruikt. Een ander voordeel is dat thermoplastisch afval/schroot gemakkelijk kan worden gerecycled (opnieuw in de smelt verwerkt) door het materiaal te malen en in een andere voedingsstroom te plaatsen met hetzelfde harssysteem, hoewel dit de vezelversterking wel verkort.

Natuurlijk draagt ​​koolstofvezel bij aan een hogere stijfheid en sterkte dan glasvezel, bij een lager gewicht en dunnere wandsecties - zij het met een kleine opoffering in slagvastheid, die kan worden verbeterd via harskeuze. Zwaardere slepen zijn betaalbaarder dan fijnere lucht- en ruimtevaartkwaliteiten en worden vaak gebruikt in de auto-industrie, waar modulus meestal de beperkende factor is in ontwerpen in plaats van ultieme sterkte. Door gebruik te maken van gehakte in plaats van continue vezelversterking, wordt de uiteindelijke sterkte verminderd, maar blijft deze meer dan voldoende voor automobieltoepassingen en kan worden verbeterd via dikkere secties of door geometrie toe te voegen (bijvoorbeeld ribbels) of beide. Naar verluidt wordt een enkele kwaliteit Sereebo in twee diktes gebruikt om de meeste componenten van de pick-upbox te vormen.

Hybride vorming

Hoewel Sereebo stroomt, eenmaal voorverwarmd en in een gereedschap geplaatst, om zijn natuurlijke isotropie te behouden, vormt het team het niet zoals conventioneel glasmat thermoplast (GMT), direct-long-fiber thermoplast (D-LFT) of SMC . In plaats daarvan wordt een interessant hybride vormingsproces gebruikt. Het combineert een innovatieve voorvormstap die wordt bereikt met behulp van een op een robot gemonteerd voorvormapparaat (RMPD) gevolgd door persvormen bij "conventionele druk". De RMPD wordt beschreven als gecompliceerde end-of-arm tooling die uniek is voor elk onderdeel dat wordt gegoten. Onderdelen worden groter gegoten dan nodig - en na het gieten op maat gesneden.

"De isotrope eigenschappen van Sereebo zijn goud waard, dus hebben we een proces ontwikkeld om die materiaaleigenschappen te behouden", merkt Voss op. "Toch bereiken we trekdieptes van 14 tot 16 inch [36 tot 41 centimeter] op de zijpanelen in structurele materialen”, voegt hij eraan toe.

"Het materiaal van Sereebo vormt zich zoals GMT en D-LFT", legt Steve Pelczarski uit, CSP engineering director voor programma- en productontwikkeling. "We houden de doorstroming echter bewust laag door de blanco temperatuur tijdens het voorverwarmen te beperken - een keuze die zowel de hars als de UV-stabilisator beschermt - en door de plaat vlak voor het vormen over de pers voor te vormen. De diepte van het tekenen en de functies die u in Sereebo kunt produceren, zijn eindeloos, zolang u de vorm maar voorvormt voordat u het materiaal aan het gereedschap presenteert.”

De vier grootste CarbonPro-onderdelen - het hoofdeinde, de rechter- en linkerzijpanelen en het platform/de vloer - worden gevormd op een nieuwe Dieffenbacher-pers van 3.600 ton met een snelle (5-seconde ) cyclus openen/sluiten (zie "CarbonPro-doos:nieuw vormingsproces") bij CSP's fabriek in Huntington, Ind., VS, 30 minuten van GM's fabriek in Fort Wayne Assembly (Roanoke, Ind., VS) waar in 2019 Chevrolet Silverado en GMC Sierra pick-ups worden gemonteerd. Verschillende kleinere CarbonPro-onderdelen - in nieuw Sereebo en in sommige gerecyclede LFT (met behulp van gemalen Sereebo-schroot plus wat nieuw PA6 om de stroom te verbeteren) - worden in de buurt geperst op een kleinere pers van 1.200 ton. Drie sub-verlijmingsstappen verbinden de dorpels, wielkasten en zijpaneelmodules met elkaar, waarna die sub-assemblages worden samengebracht in een laatste stap voor het verlijmen van de hoofdkast, waar de uiteindelijke montage van de doos plaatsvindt. Overal wordt een structurele tweecomponentenlijm van urethaan (Pliogrip 8500 van Ashland LLC, Columbus, Ohio, VS) gebruikt.

"We krijgen 75 procent eigendomsbehoud in de gerecyclede Sereebo voor de linker- en rechterpaalzakken", voegt Voss toe. "Dit is een grote win-winsituatie, omdat het helpt bij onze businesscase en het proces duurzamer maakt." Afhankelijk van hoe de onderdelen van het postindustriële recyclaat (PIR) in het veld presteren, hebben GM en CSP plannen om 100 procent van het Sereebo-schroot elders in het voertuig te hergebruiken, waardoor het nieuwe proces afvalvrij zou zijn.

CSP produceert ook onder druk gegoten eindpoortafdekkingen in glasvezel/PP D-LFT, spuitgegoten stuurhuisconstructies en voorvulpanelen in glasvezel/PA6, minidorpels in glasvezelversterkte epoxypultrusies en drie van de box's vier dwarsbalken in Sereebo.

Klantgerichte functies

De CarbonPro-box bevat ook speciale functies die het voertuig en de laadruimte verbeteren (zie "Onderscheidende kenmerken"). Ten eerste heeft de doos bewezen ongelooflijk slagvast te zijn (zie onderstaande video ), wat een enorm functioneel voordeel is dat de noodzaak voor een bedliner elimineert. Het zal niet alleen niet roesten of deuken, maar het in kleur gegoten (MIC) zwarte composiet heeft geen verf of coatings nodig om het te beschermen tegen krassen en weersinvloeden.

Ten tweede is er veel werk gestoken in het ontwerpen van de structuur van de golfplaten. Een lichte textuur wordt gebruikt in troggen, zodat vuil en vuil gemakkelijk worden weggespoeld, terwijl een "gripvolle" agressieve textuur in toppen is gegoten om een ​​goede stabiliteit te garanderen, zelfs als het bed nat of stoffig is. Speciale motorzakken in het hoofdeinde en verlijmde spanbanden (elk geschikt voor een lading van 227 kilogram) stellen klanten in staat om twee crossmotoren aan de linker- en rechterkant vast te zetten, of een Harley-Davidson "Fat Boy"-motorfiets middenvoor in de doos . Extra spanbanden zijn strategisch verdeeld om verschillende ladingen te helpen stabiliseren. Geïntegreerde lichten verlichten het interieur van de kofferbak rond de wielkasten en de achterklep (standaard of Multipro met zes standen - zie "Onderscheidende kenmerken").

De composietdoos speelt een belangrijke rol in de Sierra's constructie van gemengde materialen (een combinatie van aluminium, hoogwaardig en gerolvormd staal, plus composiet en plastic), een combinatie die 163 kilogram afsnijdt van het uitgaande model.