Углеродный композитный кузов CarbonPro GM революционирует современные пикапы

Когда спрашивали о самом сложном аспекте кузова пикапа из углеродного волокна с термопластичной матрицей (CFRTP) CarbonPro, дебютировавшего на коротких кузовых (крю-кэб) GMC Sierra AT4 (внедорожный) и Sierra Denali полутоннажах 2019 года, Марк Восс, менеджер инженерной группы по передовым структурным композитам и кузовам пикапов в General Motors Co. (GM, Детройт, Мичиган, США), смеется. «Самый сложный момент?» — спрашивает он. «Каждая часть этого проекта была сложной. Все было новым: у нас были новые проектные критерии, новые спецификации по ударной стойкости и заднему барьеру, плюс у нас был новый материал и процесс. Каждая часть процесса проектирования была вызовом в тот или иной момент. Однако результаты говорят сами за себя: кузов CarbonPro — это игра, меняющая правила».

Командный подход

Восс, который ранее работал над композитными применениями для Corvette, знает кое-что об инновациях и убеждении менеджмента попробовать новое. Начиная с 2011 года, он участвовал в первоначальных переговорах и позже в совместной разработке с Teijin Ltd. (Токио, Япония) для коммерциализации автомобильных применений только что разработанного композитного листа Sereebo CFRTP (см. «Листы Sereebo CFRTP: «Спасение Земли»»). За тремя годами того, что Восс называет «циклами обучения» — проведение испытаний и оценок, поиск и устранение проблем, затем снова испытания и оценки — последовали до того, как члены команды почувствовали, что понимают, как ведет себя материал и где его применять. Тогда они начали искать применение и платформу для дебюта Sereebo в автопроме. К 2015 году они определили кузов пикапа на модельный год 2019 Sierra Denali как идеальный.

Ряд факторов привели к решению. Во-первых, экономия масштаба, так как легкие грузовики (пикапы и внедорожники) представляют самый быстрорастущий, самый прибыльный сегмент легковых автомобилей в Северной Америке. Во-вторых, поскольку грузовики используют рамо-несущую конструкцию вместо монокока, кузов не является неотъемлемым частью кузова в белом, поэтому ему не требуется термическая стойкость для выживания после электрофоретического антикоррозийного покрытия (E-coat), наносимого на компоненты шасси в начале сборки автомобиля. В-третьих, поскольку кузов находится вне салона, ударные испытания и нагрузочные случаи будут менее строгими, чем для самой конструкции кабины, делая это менее рискованным местом для опробования нового материала и процесса. В-четвертых, поскольку клиенты GMC в целом принимают технологии, которые одновременно высокотехнологичны и люксовые, ожидается, что они примут все уникальные функции, которые планировала команда.

Восс описывает «настоящий командный подход» к работе по разработке материала и процесса, которые сделали CarbonPro реальностью. Эта команда включала GM, Teijin и формовщика Continental Structural Plastics (CSP, О번 Хиллз, Мичиган, США), который присоединился к усилиям в 2015 году для помощи в коммерциализации процесса, совместно разработанного GM и Teijin, и для производства кузова CarbonPro. CSP, который был куплен Teijin в 2017 году, имеет долгую историю производства других композитных кузовов пикапов из листового формовочного компаунда (SMC).

Эволюция технологии

Sereebo — это листовый композит с матрицей из полиамида 6 (PA6), армированный прерывистым/коротким углеродным волокном (25 мм, 24K пучок). Волокнистый слой описан как очень хорошо распределенный, дающий материалу изотропные свойства в зависимости от того, как он формруется.

Термопластичная матрица обеспечивает множество преимуществ. Во-первых, поскольку они поставляются предварительно полимеризованными, термопластики формруются гораздо быстрее термореактивных пластов, которые полимеризуются и перекрестно связываются в инструменте. Недостаток предварительно полимеризованных полимеров, однако, в том, что молекулярные цепи длиннее, жестче и более запутаны, поэтому сложнее добиться хорошего смачивания волокна. Поэтому объемная доля волокна склонна быть ниже, чем у термореактивных пластов. Во-вторых, термопластики также склонны иметь более низкую плотность, чем термореактивные пласты, создавая возможности для облегчения. Самое главное, термопластики дают гораздо лучшие поверхности из инструмента, устраняя значительную пост-формовочную отделку — такую как шлифовка и покраска — которые часто необходимы с термореактивными композитами. Кроме того, «вязкий» полимер вроде PA6 расширяет термическую производительность и повышает ударную стойкость по сравнению с полипропиленом, самой распространенной матрицей для термопластичных композитов в автопроме. Еще одно преимущество — термопластичные отходы/обрезки легко перерабатываются (переплавляются) путем измельчения материала и загрузки в другой питанинный поток с той же смольной системой — хотя это укорачивает волоконное армирование.

Конечно, углеродное волокно дает более высокую жесткость и прочность, чем стекловолокно, при меньшем весе и более тонких стенках — хоть с небольшой жертвой ударной прочности, которую можно улучшить выбором смолы. Тяжелые пучки дешевле тонких авиационных классов и обычно используются в автопроме, где модуль обычно является ограничивающим фактором в проектах, а не предельная прочность. Используя короточное вместо непрерывного армирования, предельная прочность снижается, но остается более чем адекватной для автомобильных применений и может быть улучшена более толстыми секциями или добавлением геометрии (например, ребрами) или и тем, и другим. По сообщениям, один класс Sereebo в двух толщинах используется для формовки большинства компонентов кузова пикапа.

Гибридная формовка

Хотя Sereebo течет после предварительного нагрева и размещения в инструменте, чтобы сохранить свою естественную изотропию, команда не формрует его потоком, как обычные стекловолокнистые термопластики (GMT), прямые длинные волокна термопластиков (D-LFT) или SMC. Вместо этого используется интересный гибридный процесс формовки. Он сочетает инновационный этап предформовки, выполняемый с помощью робототехнического устройства предформовки (RMPD), с последующей компрессионной формовкой при «конвенциональном давлении». RMPD описывается как сложное наконечное инструментирование, уникальное для каждой формруемой детали. Детали формруются крупнее необходимого — затем обтачиваются до конечного размера после формовки.

«Изотропные свойства Sereebo стоят их веса в золоте, поэтому мы создали процесс для сохранения этих свойств материала», — отмечает Восс. «Тем не менее, мы достигаем глубины вытягивания 14–16 дюймов [36–41 см] на боковых панелях в структурных материалах», — добавляет он.

«Материал Sereebo формруется как GMT и D-LFT», — объясняет Стив Пелчарски, директор CSP по инженерии программы и разработке продукта. «Однако мы намеренно держим поток низким, ограничивая температуру заготовки при предварительном нагреве — выбор, защищающий и смолу, и УФ-стабилизатор — и предформуя лист над прессом непосредственно перед формовкой. Глубина вытягивания и особенности, которые можно произвести в Sereebo, безграничны, пока вы предформуете форму перед подачей материала в инструмент».

Четыре крупнейшие детали CarbonPro — передняя стенка, правая и левая боковые панели и пол/платформа — формруются на новом прессе Dieffenbacher на 3600 метрических тонн с быстрым циклом открытия/закрытия (5 секунд) (см. «Кузов CarbonPro: новый процесс формовки») на заводе CSP в Хантингтоне, Индиана, США, в 30 минутах от завода сборки GM Fort Wayne (Роаноук, Индиана, США), где собираются пикапы 2019 Chevrolet Silverado и GMC Sierra. Несколько мелких деталей CarbonPro — из девственного Sereebo, а также из переработанного LFT (используя измельченные отходы Sereebo плюс немного девственного PA6 для улучшения текучести) — компрессионно формруются рядом на меньшем прессе на 1200 метрических тонн. Три этапа подсборки соединяют поперечные пороги, обода колес и модули боковых панелей, затем эти подсборки собираются в финальном этапе основной склейки кузова, где происходит финальная сборка кузова. По всему используется двукомпонентный уретановый структурный клей (Pliogrip 8500 от Ashland LLC, Коламбус, Огайо, США).

«Мы получаем 75% сохранения свойств в переработанном Sereebo для левых и правых карманов стойки», — добавляет Восс. «Это большой выигрыш-выигрыш, потому что это помогает нашему бизнес-кейсу, делая процесс более устойчивым». В зависимости от того, как детали из пост-индустриальной переработки (PIR) проявят себя в поле, GM и CSP планируют переработать 100% отходов Sereebo в других местах автомобиля, что сделает новый процесс безотходовым.

CSP также производит компрессионно формруемые накладки задней створки в стекловолокнистом PP D-LFT, литые под давлением сборки ободов колес и передние заполнительные панели в стекловолокнистом PA6, мини-пороги в стекловолокнисто-усиленных эпоксидных протрузиях, и три из четырех поперечных порогов кузова в Sereebo.

Функции, ориентированные на клиента

Кузов CarbonPro также включает специальные функции, улучшающие автомобиль и его грузовое пространство (см. «Различительные особенности»). Во-первых, кузов оказался невероятно ударопрочным (см. видео ниже), что является огромным функциональным преимуществом, устраняющим необходимость в накладке на кузов. Он не ржавеет и не вмятится, а литой в цвете (MIC) черный композит не нуждается в краске или покрытиях для защиты от царапин и выветривания.

Во-вторых, много работы ушло в проектирование гофрированной структуры пола. Легкая текстура используется в желобах, чтобы грязь и грязь легко смывались, в то время как «цепкая» агрессивная текстура формруется на гребнях для обеспечения хорошей стабильности даже когда кузов мокрый или пыльный. Специальные карманы для мотоциклов в передней стенке и склеенные крепежи (каждый способен на нагрузку 227 кг) позволяют клиентам зафиксировать два мотоцикла для грязной езды по левому и правому бокам, или мотоцикл Harley-Davidson «Fat Boy» в центре-переду кузова. Дополнительные крепежи распределены стратегически для стабилизации различных грузов. Интегральные фонари освещают внутреннее пространство кузова вокруг расширений крыльев и задней створки (стандартной или шестипозиционной Multipro — см. «Различительные особенности»).

Композитный кузов играет важную роль в смешанной конструкции Sierra (сочетание алюминия, высокопрочной и рулонной стали, плюс композит и пластик), комбинация которой снижает вес на 163 кг по сравнению с выходящей моделью.