GM's CarbonPro composiet-laadbak revolutieert moderne pick-ups

Toen men vroeg naar de meest uitdagende aspecten van de CarbonPro koolstofvezel-versterkte thermoplastische (CFRTP) composiet-laadbak, die debuuteerde op de 2019 korte-laadbak (crew-cab) GMC Sierra AT4 (off-road) en Sierra Denali half-ton pick-ups, lacht Mark Voss, engineering group manager van geavanceerde structurele composieten en laadbakken bij General Motors Co. (GM, Detroit, Mich., VS). "Het meest uitdagende deel?" vraagt hij. "Elk deel van dit project was uitdagend. Alles was nieuw: we hadden nieuwe ontwerpcriteria, nieuwe impact- en achterbarrière-prestatiespecificaties, plus we hadden een nieuw materiaal en proces. Elk deel van het ontwerpproces was op een gegeven moment een uitdaging. Echter, de resultaten spreken voor zich: de CarbonPro-bak is een game-changing uitvoering."

Team-aanpak

Voss, die eerder werkte aan composiettoepassingen voor Corvette, weet een ding of twee over innovatie en management overtuigen om nieuwe dingen te proberen. Beginnend in 2011, was hij betrokken bij de initiële onderhandelingen en later gezamenlijke ontwikkelingswerk met Teijin Ltd. (Tokio, Japan) om automobiele toepassingen te commercialiseren voor Teijin's toen net ontwikkelde Sereebo CFRTP-plaatcomposiet (zie "Sereebo CFRTP-platen: 'De aarde redden'"). Drie jaar van wat Voss "leercycli" noemt - proeven en evaluaties draaien, problemen vinden en aanpakken, dan meer proeven en evaluaties draaien - volgden voordat teamleden voelden dat ze begrepen hoe het materiaal zich gedroeg en waar het te gebruiken was. Dat was toen ze begonnen te zoeken naar een toepassing en platform voor Sereebo's automobielindustrie-debuut. In 2015 hadden ze de laadbak op het 2019 modeljaar Sierra Denali geïdentificeerd als ideaal.

Er waren een aantal factoren die tot de beslissing leidden. Ten eerste was er de economie van schaal, aangezien lichte vrachtwagens (pick-ups en sport utility voertuigen) het snelst groeiende, meest winstgevende passagiersvoertuigsegment in Noord-Amerika vertegenwoordigen. Ten tweede, aangezien vrachtwagens body-on-frame in plaats van monocoque constructie gebruiken, is de bak niet integraal voor de body-in-white, dus het vereist niet de thermische prestaties om E-coat te doorstaan - de electroforetische corrosiebescherming die aan chassiscomponenten wordt toegepast aan het begin van de voertuigbouw. Ten derde, aangezien de bak buiten de passagiersruimte zit, zouden impacttests en belastinggevallen minder zwaar zijn dan die voor de cab-structuur zelf, wat het een minder riskante locatie maakt om een nieuw materiaal en proces te proberen. Ten vierde, aangezien GMC's klanten over het algemeen technologie omarmen die zowel high-tech als luxe is, worden ze verwacht alle unieke functies die het team plande te welkommen.

Voss beschrijft een "ware team-aanpak" voor het materiaal- en procesontwikkelingswerk dat in de CarbonPro tot realiteit gekomen is. Dat team omvatte GM, Teijin en molder Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Mich., VS), dat in 2015 bij de inspanning aansloot om het proces dat GM en Teijin gezamenlijk ontwikkelden te commercialiseren en de CarbonPro-bak te produceren. CSP, die in 2017 door Teijin werd overgenomen, heeft een lange geschiedenis in het produceren van andere composiet-laadbakken in sheet molding compound (SMC).

Evoluerende technologie

Sereebo is een plaatvormig composiet met een polyamide 6 (PA6) matrix versterkt met gediscontinue/gehakte koolstofvezel (25 millimeter, 24K tow). Het vezelbed wordt beschreven als zeer goed verdeeld, wat het materiaal isotrope eigenschappen geeft afhankelijk van hoe het gevormd wordt.

De thermoplastische matrix biedt veel voordelen. Ten eerste, omdat ze pre-gepolymereerd worden geleverd, vormen thermoplastieken veel sneller dan thermoharders, die in de vorm polymeriseren en kruisverbinden. Het nadeel van pre-gepolymereerde polymeren is echter dat moleculaire ketens langer, stijver en meer verstrengeld zijn, waardoor het moeilijker is om goede vezel-wetting te krijgen. Daarom neigt de vezel-volume-fractie ertoe lager te zijn dan met thermoharders. Ten tweede, thermoplastieken neigen ook tot een lagere dichtheid dan thermoharders, wat lichtgewichts-mogelijkheden biedt. Belangrijkst, thermoplastieken produceren veel betere oppervlakken uit de vorm, wat de significante na-vorming afwerking - zoals schuren en schilderen - die vaak nodig zijn met thermohardende composieten, elimineert. Bovendien verlengt een "zacht" polymer zoals PA6 de thermische prestaties en verhoogt de schadebestendigheid vergeleken met polypropylene, de meest voorkomende matrix voor thermoplastische composieten in automobiel. Een ander voordeel is dat thermoplastische afval/resten gemakkelijk gerecycled (smelt-herverwerkt) kunnen worden door het materiaal te malen en in een andere voerstroom met hetzelfde harsysteem te stoppen - hoewel dit de vezelversterkingen wel verkort.

Natuurlijk draagt koolstofvezel bij aan hogere stijfheid en sterkte dan glasvezel, bij lager gewicht en dunner wanddikte - al met een kleine offerte in impactssterkte, die verbeterd kan worden via harsselectie. Zwaardere tows zijn betaalbaarder dan fijne luchtvaart-kwaliteiten en worden veel gebruikt in de automobielindustrie, waar modulus meestal de beperkende factor is in ontwerpen in plaats van uiteindelijke sterkte. Door gebruik te maken van gehakte- in plaats van continue-vezelversterking, wordt uiteindelijke sterkte verminderd, maar blijft meer dan adequaat voor automobiele toepassingen en kan verbeterd worden via dikker secties of door geometrie toe te voegen (bijv. ribben) of beide. Volgens rapporten wordt een enkele graad Sereebo in twee diktes gebruikt om de meeste componenten van de laadbak te vormen.

Hybride vorming

Hoewel Sereebo vloeit zodra het voorgewarmd en in een vorm geplaatst wordt, om de natuurlijke isotroopie te behouden, vormt het team het niet door stroming zoals conventioneel glas-mat thermoplast (GMT), direct-long-fiber thermoplast (D-LFT), of SMC. In plaats daarvan wordt een interessante hybride vormingsproces gebruikt. Het combineert een innovatieve pre-vormstap die wordt uitgevoerd met een robot-gemonteerd pre-vormingsapparaat (RMPD) gevolgd door compressievorming bij "conventionele drukken." De RMPD wordt beschreven als gecompliceerd end-of-arm tooling dat uniek is voor elk deel dat gevormd wordt. Delen worden groter gevormd dan nodig - daarna getrimd tot definitieve grootte na vorming.

"Sereebo's isotrope eigenschappen zijn hun gewicht in goud waard dus we creëerden een proces om die materiaaleigenschappen te behouden," merkt Voss op. "Toch bereiken we dieptetrekking van 14 tot 16 inch [36 tot 41 centimeter] op de zijpanelen in structurele materialen," voegt hij toe.

"Het Sereebo-materiaal vormt als GMT en D-LFT," legt Steve Pelczarski, CSP engineering director voor programma- en productontwikkeling, uit. "Echter, we houden bewust de stroom laag door de blaanktemperatuur tijdens voorverhitting te beperken - een keuze die zowel hars als UV-stabilisator beschermt - en door de plaat te pre-vormen over de pers net voor het vormen. De dieptetrekking en kenmerken die je in Sereebo kunt produceren zijn eindeloos zolang je de vorm pre-vormt voordat je het materiaal aan de tool presenteert."

De vier grootste CarbonPro-onderdelen - het kopbord, rechter- en linkerzijpaneel, en het platform/vloer - worden gevormd op een nieuwe 3.600-metric-ton Dieffenbacher-pers met een snelle (5-seconde) open/sluit-cyclus (zie "CarbonPro-bak: Nieuw vormingsproces") bij CSP's Huntington, Ind., VS fabriek, 30 minuten van GM's Fort Wayne Assembly-fabriek (Roanoke, Ind., VS) waar 2019 Chevrolet Silverado en GMC Sierra pick-ups gemonteerd worden. Verschillende kleinere CarbonPro-onderdelen - in virgin Sereebo alsook in sommige gerecycleerde-LFT (met gemalen Sereebo-afval plus wat virgin PA6 om de stroom te verbeteren) - worden compressievormed in de buurt op een kleinere 1.200-metric-ton pers. Drie sub-hechtstappen verbinden dwars-autozills, wielkasten en zijpaneel-modules, daarna worden die sub-montages samengebracht in een finale hoofdbak-hechtstap waar de finale bakmontage plaatsvindt. Een tweedelige urethane structurele lijm (Pliogrip 8500 van Ashland LLC, Columbus, Ohio, VS) wordt doorheen gebruikt.

"We krijgen 75 procent eigenschapsbehoud in het gerecycleerde Sereebo voor linker- en rechter stake pockets," voegt Voss toe. "Dit is een grote win-win, want het helpt met ons business case terwijl het proces duurzamer maakt." Afhankelijk van hoe de post-industriële recyclaat (PIR) onderdelen in het veld presteren, hebben GM en CSP plannen om 100 procent van Sereebo-afval elders in het voertuig te hergebruiken, wat het nieuwe proces zero-waste zou maken.

CSP produceert ook compressievormde eindgate-afdekingen in glasvezel/PP D-LFT, geïnjecteerde wielhuis-montages en voorvulpaneel in glasvezel/PA6, mini-zills in glasvezel-versterkte epoxy-pultrusies, en drie van de vier dwars-autozills van de bak in Sereebo.

Klantgerichte functies

De CarbonPro-bak bevat ook speciale functies die het voertuig en de ladingruimte verbeteren (zie "Discriminerende kenmerken"). Ten eerste heeft de bak bewezen ongelooflijk impactbestendig te zijn (zie video hieronder), wat een enorme functionele voordelen is die de noodzaak voor een bedliner elimineert. Niet alleen zal het niet roesten of deuken, maar de ingekleurde (MIC) zwarte composiet heeft geen verf of coating nodig om het te beschermen tegen schuren en verwering.

Ten tweede, er is veel werk gegaan in het ontwerpen van de gegolfde vloerstructuur. Een lichte textuur wordt in de goten gebruikt zodat vuil en slijk gemakkelijk afwassen, terwijl een "grippy" agressieve textuur in de kammen gevormd wordt om goede stabiliteit te garanderen zelfs als de bak nat of stoffig is. Speciale motorfiets-zakken in het kopbord en gelijmde vastzetten (elk in staat 227-kilogram lasten te dragen) laten klanten toe om twee dirt bikes aan linker- en rechterkant, of een Harley-Davidson "Fat Boy" motorfiets in het centrum-voor van de bak te bevestigen. Extra vastzetten zijn strategisch verdeeld om diverse lading te stabiliseren. Geïntegreerde verlichting verlicht de bakinterieur rondom de wielkasten en de achterklap (ofwel standaard of zes-positie Multipro - zie "Discriminerende kenmerken").

De composiet-bak speelt een belangrijke rol in de Sierra's gemengde-materialen constructie (combinatie van aluminium, hoogsterkte en gerolde staal, plus composiet en plastic), een combinatie die 163 kilogram afzaagt van het uitgaande model.