Рубленое углеродное волокно, полиамид и инновации меняют определение современного кузова пикапа

На вопрос о самом сложном аспекте композитного пикапа CarbonPro из термопласта, армированного углеродным волокном (CFRTP), который дебютировал на GMC с короткой кроватью (кабина экипажа) 2019 года Sierra AT4 (внедорожник) и Сьерра-Денали полутонных пикапов, - смеется Марк Восс, менеджер группы инженеров по передовым конструкционным композитам и пикапам General Motors Co. (GM, Детройт, Мичиган, США). « самые сложная часть? » он спросил. «Каждая часть этого проекта была сложной. Все было новым:у нас были новые критерии проектирования, новые характеристики ударопрочности и защиты заднего барьера, а также новый материал и новый процесс. Каждая часть процесса проектирования в тот или иной момент была проблемой. Однако результаты говорят сами за себя:коробка CarbonPro радикально меняет правила игры ».

Командный подход

Восс, ранее работавший над составными приложениями для Corvette , кое-что знает об инновациях и уговаривает руководство пробовать что-то новое. Начиная с 2011 года, он участвовал в начальных переговорах, а затем в совместной разработке с Teijin Ltd. (Токио, Япония) для коммерциализации автомобильных приложений для недавно разработанного Тейджином листового композитного материала Sereebo CFRTP (см. «Листы Sereebo CFRTP:« Спасение Земли »». »). После трех лет того, что Восс называет «циклами обучения» - проведение испытаний и оценок, поиск и решение проблем, а затем проведение дополнительных испытаний и оценок, - члены команды почувствовали, что они поняли, как ведет себя материал и где его использовать. Именно тогда они начали искать приложение и платформу для дебюта Sereebo в автомобильной промышленности. К 2015 году они определили пикап на модели Sierra Denali 2019 модельного года. как в идеале.

Решение было принято по ряду факторов. Во-первых, это была экономия на масштабе, поскольку малотоннажные грузовики (пикапы и внедорожники) представляют собой наиболее быстрорастущий и наиболее прибыльный сегмент легковых автомобилей в Северной Америке. Во-вторых, поскольку грузовики используют конструкцию кузова на раме вместо монококовой конструкции, коробка не является неотъемлемой частью кузова в белом цвете, поэтому ей не требуются тепловые характеристики, чтобы выдержать E-покрытие - электрофоретическое антикоррозионное покрытие, нанесенное на шасси. компоненты в начале сборки автомобиля. В-третьих, поскольку бокс находится за пределами пассажирского салона, испытания на удар и нагрузки будут менее суровыми, чем испытания самой конструкции кабины, что делает его менее рискованным местом для испытания нового материала и технологии. И наконец, поскольку клиенты GMC обычно используют высокотехнологичные и роскошные технологии, ожидается, что они будут приветствовать все уникальные особенности, которые планировала команда.

Восс описывает «настоящий командный подход» к работе по разработке материалов и процессов, которая позволила сделать CarbonPro реальностью. В эту команду входили GM, Тейджин и формовщик Continental Structural Plastics (CSP, Оберн-Хиллз, Мичиган, США), которые в 2015 году объединили усилия, чтобы помочь коммерциализировать процесс, совместно разработанные GM и Тейджином, и произвести коробку CarbonPro. Компания CSP, которую Тейджин приобрела в 2017 году, имеет долгую историю производства других композитных приемных ящиков из листового формовочного компаунда (SMC).

Развивающиеся технологии

Sereebo представляет собой композит в форме листа с матрицей из полиамида 6 (PA6), армированной прерывистым / рубленым углеродным волокном (25 миллиметров, жгут 24K). Волокнистый слой был описан как очень хорошо распределенный, что придает изотропные свойства материала в зависимости от того, как он отформован.

Матрица из термопласта дает множество преимуществ. Во-первых, поскольку они поставляются предварительно полимеризованными, термопласты формуются намного быстрее, чем термореактивные пластмассы, которые полимеризуются и сшиваются в инструменте. Однако обратная сторона предварительно полимеризованных полимеров заключается в том, что молекулярные цепи длиннее, жестче и более запутаны, поэтому получить хорошее смачивание волокна труднее. Следовательно, объемная доля волокна обычно ниже, чем у термореактивных материалов. Во-вторых, термопласты обычно имеют более низкую плотность, чем термореактивные пластмассы, что способствует облегчению их веса. Что наиболее важно, термопласты позволяют получить гораздо лучшие поверхности инструмента, устраняя необходимость в значительной отделке после формования, такой как шлифовка и покраска, которые часто необходимы для термореактивных композитов. Кроме того, «жесткий» полимер, такой как PA6, расширяет тепловые характеристики и повышает устойчивость к повреждениям по сравнению с полипропиленом, наиболее распространенной матрицей для термопластичных композитов, используемых в автомобилестроении. Еще одним преимуществом является то, что термопластические отходы / скрап легко перерабатываются (перерабатываются в расплаве) путем измельчения материала и помещения его в другой поток сырья с той же системой смол, хотя это сокращает армирование волокон.

Конечно, углеродное волокно обеспечивает более высокую жесткость и прочность, чем стекловолокно, при меньшем весе и более тонких сечениях стенок - хотя и с небольшими потерями в ударной вязкости, которую можно улучшить путем выбора смолы. Более тяжелые буксиры более доступны, чем более тонкие аэрокосмические сорта, и обычно используются в автомобильной промышленности, где модуль упругости обычно является ограничивающим фактором в конструкции, а не предел прочности. При использовании армирования из рубленых, а не непрерывных волокон предел прочности снижается, но остается более чем достаточным для автомобильных применений и может быть улучшен за счет более толстых секций или путем добавления геометрии (например, оребрения) или того и другого. Сообщается, что для формования большинства компонентов пикапа используется один сорт Sereebo двух толщин.

Гибридное формирование

Хотя Sereebo протекает после предварительного нагрева и помещения в инструмент, чтобы сохранить его естественную изотропность, команда не создает его, как обычный термопласт на стекловолокне (GMT), термопластик с прямыми длинными волокнами (D-LFT) или SMC. . Скорее используется интересный гибридный процесс формования. Он сочетает в себе инновационный этап предварительного формования, выполняемый с использованием роботизированного устройства для предварительного формования (RMPD), с последующим прессованием при «обычных давлениях». RMPD описывается как сложная оснастка на конце руки, уникальная для каждой формованной детали. Детали формуются больше, чем необходимо, а после формования обрезаются до окончательного размера.

«Изотропные свойства Sereebo на вес золота, поэтому мы создали процесс, позволяющий сохранить эти свойства материала», - отмечает Восс. «Тем не менее, мы добиваемся глубины вытяжки от 14 до 16 дюймов [от 36 до 41 сантиметра] на боковых панелях в структурном материалы », - добавляет он.

«Материал Sereebo формирует такие же формы, как GMT и D-LFT», - объясняет Стив Пелчарски, технический директор CSP по разработке программ и продуктов. «Однако мы намеренно поддерживаем низкий расход, ограничивая температуру заготовки во время предварительного нагрева - выбор, который защищает как смолу, так и УФ-стабилизатор - и путем предварительного формования листа поверх пресса непосредственно перед формованием. Глубина прорисовки и возможности, которые вы можете создать в Sereebo, безграничны, пока вы предварительно формируете форму перед тем, как подавать материал в инструмент ».

Четыре самые большие части CarbonPro - изголовье, правая и левая боковые панели и платформа / пол - формируются на новом прессе Dieffenbacher массой 3600 тонн с быстрым (5- секундами ) цикл открытия / закрытия (см. «Блок CarbonPro:новый процесс формования») на заводе CSP в Хантингтоне, штат Индиана, США, в 30 минутах от сборочного завода GM в Форт-Уэйне (Роанок, штат Индиана, США), где Chevrolet Silverado и GMC Sierra пикапы собраны. Несколько меньших деталей CarbonPro - из чистого Sereebo, а также из некоторых переработанных LFT (с использованием измельченного лома Sereebo и небольшого количества чистого PA6 для увеличения потока) - отливаются под давлением на меньшем 1200-тонном прессе. Три промежуточных этапа соединения соединяют поперечные пороги, колесные арки и модули боковых панелей, затем эти узлы собираются вместе на заключительном этапе склеивания основной коробки, где происходит окончательная сборка коробки. Повсюду используется двухкомпонентный уретановый структурный клей (Pliogrip 8500 от Ashland LLC, Колумбус, Огайо, США).

«В переработанном Sereebo мы сохраняем 75% собственности для левого и правого карманов для долей», - добавляет Восс. «Это большой беспроигрышный вариант, потому что он помогает с нашим бизнес-обоснованием, делая процесс более устойчивым». В зависимости от того, как обстоят дела с постиндустриальной переработкой (PIR) деталей на местах, GM и CSP планируют перенаправить 100 процентов лома Sereebo в другое место в автомобиле, что сделает новый процесс безотходным.

CSP также производит прессованные крышки концевых затворов из стекловолокна / PP D-LFT, литые под давлением сборки колесной ниши и передние панели-заполнители из стекловолокна / PA6, мини-пороги из армированного стекловолокном эпоксидного пултрузия, а также три из них. коробки с четырьмя порогами для автомобилей повышенной проходимости в Серибо.

Функции, ориентированные на клиента

Коробка CarbonPro также включает в себя специальные функции, улучшающие транспортное средство и его грузовое пространство (см. «Отличительные особенности»). Во-первых, коробка оказалась невероятно ударопрочной ( см. Видео ниже ), что является огромным функциональным преимуществом, устраняющим необходимость в постельном белье. Мало того, что на нем не будет ржавчины и вмятин, черный композит с формованным цветом (MIC) не нуждается в краске или покрытиях, чтобы защитить его от царапин и атмосферных воздействий.

Во-вторых, была проделана большая работа по проектированию конструкции пола из профнастила. В кормушках используется легкая текстура, поэтому грязь и грязь легко смываются, в то время как «цепкая» агрессивная текстура формируется в гребнях для обеспечения хорошей устойчивости, даже когда кровать влажная или пыльная. Специальные карманы для мотоциклов в изголовье и прикрепленные ремни безопасности (каждый из которых рассчитан на 227-килограммовую нагрузку) позволяют клиентам закрепить два мотоцикла для грязи слева и справа или мотоцикл Harley-Davidson «Fat Boy» в центре передней части коробки. . Дополнительные крепления распределены стратегически, чтобы помочь стабилизировать различные нагрузки. Встроенные фары освещают внутреннюю часть коробки вокруг расширителей крыльев и задней двери (стандартная или шестипозиционная Multipro - см. «Отличительные особенности»).

Составная коробка играет важную роль в Sierra’s конструкция из смешанных материалов (сочетание алюминия, высокопрочной и гнутой стали, а также композит и пластик) - комбинация, которая снижает вес предыдущей модели на 163 кг.