Chevrolet Silverado 2019: Bracket Pengepang Termoplastik Ringan Meningkatkan Performa
Model tahun (MY) 2019 GM Chevrolet Silverado pickup menampilkan aplikasi struktural baru untuk komposit di lokasi tersembunyi namun sangat efektif: di sisi kiri dan kanan depan di belakang bumper steel. Bracket hibrid komposit termoplastik/logam mengurangi massa, mencapai performa yang setara atau lebih baik dalam pengujian modal, stres, lelah dan tabrakan di ruang paket yang terbatas, mengurangi risiko korosi dan garansi serta memungkinkan konsolidasi bagian yang signifikan. Semua foto kredit: General Motors Co.
Bukan mudah menjadi insinyur desain OEM yang bekerja pada program pickup full-size. Di satu sisi, Anda ingin membuat kendaraan ini selamat, kaya fitur dan hemat bahan bakar sebanyak mungkin. Di sisi lain, pelanggan Anda — khususnya mereka di industri konstruksi dan pertanian — mendorong kendaraan mereka keras setiap hari dan memiliki ide tertentu tentang apa yang adalah dan bukan material yang tahan lama. Mereka mengenal dan mempercayai steel. Komposit? Mungkin tidak terlalu banyak.
Saat Chris Heo, insinyur rilis desain utama untuk pickup full-size di General Motors Co. (GM, Detroit, Michigan, AS), dan timnya mulai bekerja pada generasi terbaru Chevrolet Silverado pickup, mereka membahas aplikasi mana yang mungkin dapat dikonversi dari logam ke komposit untuk mengurangi massa kendaraan.
Untuk model tahun (MY) 2019, keputusan telah dibuat untuk mempertahankan bar dampak bumper dengan gaya — bumper steel stempel dengan permukaan dan finishing A-side dengan gaya (kemuncuman chrome atau cat warna badan) — di depan dan belakang kendaraan. Karena bentuk yang didorong oleh gaya dan massa shell steel, bumper seperti ini biasanya memerlukan satu atau lebih bracket penguat steel untuk menghubungkan bumper ke kerangka kendaraan dan memenuhi persyaratan ketahanan bumper GM, kerusakan kendaraan, performa tabrakan dan persyaratan packaging. Dalam kasus ini, sepasang bracket melingkar sudut kiri dan kanan bumper. Anggota tim bertanya apakah mereka dapat mengonversi stempel berat, kompleks, multi-piece ini menjadi sesuatu yang lebih ringan tanpa mengorbankan performa atau daya tahan.
"Kami membahas cara kita dapat menjaga kulit logam bumper tapi mengonversi komponen tersembunyi ke material ringan," ingat Heo. "Kami tahu ini akan menjadi tantangan karena Anda memerlukan bracket yang kuat untuk memegang bagian berat seperti bumper, dan baik bumper maupun bracket harus berfungsi selama umur kendaraan. Selain itu, bracket ini sangat penting untuk memenuhi uji tabrakan barrier offset yang berat dan — bahkan dalam logam — uji tersebut sulit untuk lulus."
Pertama mencoba
Tidak terpukau oleh tantangan, tim GM segera mulai bekerja dan segera menarik supplier bumper yang ditetapkan kendaraan, Flex-N-Gate Corp. (FNG, Urbana, Illinois, AS). Awalnya, karena styling eksterior kendaraan masih sedang diselesaikan, tim gabungan menghabiskan satu tahun untuk meneliti opsi di industri dan membahas pendekatan yang mungkin berhasil. "Kami menunggu waktu yang tepat karena, tergantung pada styling akhir, itu dapat mengubah desain yang kami gunakan dan pendekatan yang kami ambil," terang Heo.
"Kami tahu perusahaan lain telah mengonversi bracket yang sangat kecil — yang tidak struktural — ke komposit pada salah satu bumper truck mereka, jadi itu memberi kami tempat untuk memulai," tambah Steve Perucca, manajer grup rekayasa FNG - R&D plastik/logam. FNG sudah memiliki banyak pengalaman mengonversi bagian logam struktural ke komposit termoplastik pada kendaraan penumpang, dan itu memberi tim kepercayaan untuk melanjutkan.
Pertimbangan desain
Saat desain eksterior sudah dipastikan, tim gabungan memulai pekerjaan desain mereka sendiri pada bracket dengan daftar keinginan dan kebutuhan. Bracket acuan dihasilkan dengan stempel dari steel HSLA (high-strength/low-alloy), dipilih untuk mekaniknya yang lebih tinggi dan resistensi korosi yang lebih baik dibanding steel karbon. Bracket memiliki ketebalan nominal 3 milimeter dan masing-masing beratnya 4,362 kilogram. Pertama, bracket komposit perlu muat di ruang paket yang kira-kira sama, yang terbatas di belakang bumper. Dengan demikian, diperlukan material dengan kekuatan yang cukup sehingga ketebalan bagian tidak meningkat secara signifikan.
Kedua, bumper depan biasanya melingkar sudut depan kendaraan untuk mencapai petunjuk gaya yang diinginkan studio desain. Namun, karena mereka ditempel pada kerangka oleh bracket steel yang kaku, selama peristiwa tabrakan kecepatan tinggi, bumper dapat hancur ke dalam roda, berdampak negatif pada orientasi roda dan mengunci pengendalian. Untuk melindungi roda di sisi yang terkena dampak selama mungkin, diinginkan agar bracket bumper putus selama dampak. Di sisi lain, untuk menghindari masalah garansi, bumper perlu tetap terlepas selama penggunaan normal selama umur kendaraan. Oleh karena itu, tim harus menentukan cara menyeimbangkan kebutuhan yang bertentangan ini.
Masalah lain yang ingin diatasi tim adalah karena keterbatasan formabilitas steel, bracket acuan tidak dapat dibentuk untuk memegang lampu kabut kendaraan, yang memerlukan penggunaan sepasang bracket logam berat lainnya. Jika memungkinkan, tim ingin mengonsolidasikan dukungan lampu kabut ke dalam bracket komosit.
Selain itu, penting untuk menghindari titik kekerutan kabel saat melewati bracket untuk mencegah kabel dan kaus kabel gores dan putus, yang akan menyebabkan rangkaian pendek pada fitur penting seperti lampu depan dan kipas. Menghindari ini dengan menyediakan lubang di bracket logam melalui mana kabel dapat melewati menyebabkan penggunaan operasi pemotong tambahan, yang menambahkan biaya alat cetak lebih banyak karena keterbatasan kebebasan desain. Oleh karena itu, diinginkan untuk mencoba dan mengatasi masalah ini di bracket komposit. Tentu saja, juga penting untuk menghindari harus melakukan perubahan pada perakitan kendaraan untuk menggunakan bracket komosit. Dan, seperti yang sering terjadi dalam aplikasi otomotif, bracket komposit idealnya akan lebih ringan dan lebih murah dari benchmark logam. Kehawat terakhir adalah apakah model CAE yang tersedia saat ini dapat secara akurat memprediksi lelah siklus tinggi/daya tahan dalam termoplastik terkuat serat tidak kontinu.
Pendekatan hibrid
Dengan daftar keinginan di tangan, tim mulai sibuk. Keputusan awal adalah memilih material yang akan digunakan — yaitu salah satu yang sudah memiliki pengalaman FNG dan yang telah mendapat persetujuan GM. Mereka memilih Supran PP1340 GMW15890P, sebuah termoplastik polipropilena serat kaca panjang (LFT-PP) hitam 40% fraksi berat serat (FWF) dari Lotte Chemical (Seoul, Korea Selatan). Karena bracket tidak terpapar sinar matahari dan cukup jauh dari panas mesin, polimer olefin tahan ini akan menawarkan performa termal yang memadai. Grade mudah alir yang dapat dicetak injeksi memiliki indeks alir leleh (MFI) 40, memastikan pengisian yang baik dari geometri kompleks tanpa perlu menambahkan gate tambahan; gate tambahan menciptakan knitlines yang lebih lemah dari material di sekitarnya dan harus dihindari dalam bagian struktural, terutama yang harus lulus uji tabrakan.
Untuk menyeimbangkan kebutuhan yang bertentangan antara daya tahan jangka panjang dengan performa tabrakan yang tinggi, tim mengambil pendekatan hibrid dan membagi bracket. Bagian yang menghubungkan bumper ke kerangka akan tetap steel HSLA, tetapi bagian luar akan dikonversi ke komposit. Pendekatan ini akan memberikan kebebasan desain yang lebih besar untuk mengonsolidasikan bagian, mengurangi massa dan memungkinkan pemasangan lampu kabut, tetapi bagian komposit akan dirancang untuk putus dalam tabrakan sisi kecepatan tinggi untuk memastikan orientasi roda tetap longitudinal selama mungkin untuk membantu mempertahankan kemampuan pengendalian. Untuk memenuhi semua persyaratan GM, beberapa insert logam ditambahkan ke sisi komposit bracket, bersama dengan tiga bus, yang memungkinkan penyesuaian selama perakitan. Desainer menemukan material tidak ada masalah yang memungkinkan kaki bracket (bagian ujung lengkung yang ditampilkan dalam desain CAE komposit/coklat) untuk diperpanjang untuk mencakup lampu kabut, menghilangkan kebutuhan akan bracket terpisah di lokasi tersebut (Gambar 1).
Seiring berjalannya proyek, dan bagian fisik diproduksi dan diuji, tim senang mengetahui model CAE mereka cukup akurat. "Awalnya, kami bertanya apakah kami dapat mensimulasikan bagian dengan benar, mengingat kami mencoba memprediksi lelah siklus tinggi, dalam hal daya tahan, dan beban G tinggi, dalam pemodelan tabrakan," kata Heo. "Kejutan, korelasi antara hasil yang diprediksi dan diukur dari pengujian getaran cukup dekat, bahkan dalam tabrakan." Desain bracket akhir diselesaikan dalam kurang dari enam bulan. Ukurannya sekitar 41 x 46 sentimeter, memiliki dinding nominal 3 milimeter dan memiliki tulangan untuk mekanik yang lebih tinggi.
Alat cetak diproduksi oleh Integrity Tool & Mold Inc. (Oldcastle, Ontario, Kanada) dan memiliki stack mold 2+2 yang terventilasi dengan dua rongga/plat dan dua drop langsung (cold runners) dengan sequential valve gating yang menghasilkan empat bagian/siklus karena volume build yang tinggi dari platform Silverado. Divisi Ventra Evart milik FNG adalah pengeras. Waktu siklus tombol-ke-tombol adalah 60 detik.
Pencapaian signifikan
Pada penggunaan komersial pertamanya, pendekatan hibrid GM pada bracket bumper struktural (Gambar 2) membawa berbagai manfaat. Pertama, mencapai performa yang setara atau superior dalam uji modal, stres, lelah dan tabrakan (lihat tabel di bawah).
Desain
10 Gx
20 Gx
1st Frekuensi Mode (Hz)
Penyimpangan Maksimum (mm)
Stres Maksimum (MPa)
Penyimpangan Maksimum (mm)
Stres Maksimum (MPa)
Bracket hibrid steel/komposit
2.00
213
3.97
381
31.7
Benchmark semua steel
2.36
259
4.45
480
30.1
Tidak hanya bracket komposit hibrid dengan insert logam mengurangi massa, tetapi geometri yang disesuaikan meningkatkan baik stres maupun performa modal.
Kedua, kebebasan desain komposit memungkinkan styling yang lebih agresif dalam ruang paket yang relatif kecil. Ketiga, massa pasangan bracket hibrid dikurangi 2,5 kilogram/kendaraan dibandingkan benchmark. Dan berkat efek dekomposisi massa, sudut bumper yang lebih ringan memungkinkan pengurangan tebal pada brace pemasang bumper serta komponen lainnya, sehingga total massa sistem bumper depan dikurangi 7,3 kilogram dibandingkan model 2016 yang keluar.
Selain itu, risiko korosi dan biaya garansi berkurang karena bracket komposit tidak akan karat. Manfaat pengurangan berat bagi konsumen dengan berkontribusi pada peningkatan ekonomi bahan bakar atau memungkinkan muatan lebih berat untuk dibawa tanpa melebihi beban jalan hukum.
Dasar harga per satuan, bracket hibrid sama, karena biaya tambahan dari cetakan injeksi. Dasar biaya sistem, ada penghematan karena kemampuan untuk menurunkan tebal komponen tambahan, meskipun penghematan aktual sulit diukur. Bracket telah dalam produksi selama lebih dari tiga tahun tanpa masalah.
Untuk Silverado generasi berikutnya, tim Heo berencana untuk terus menggunakan bracket hibrid pada bumper depan, tetapi ia telah menantang anggota tim untuk mulai memikirkan cara mengambil pendekatan hibrid pada bracket bumper belakang. Ini dipertentangkan oleh fakta bahwa bumper belakang memiliki fitur bantuan tangga di sudut untuk memungkinkan orang untuk naik/turun dari bak pickup lebih mudah dan aman. Selain itu, lebih banyak komponen (seperti sensor peringatan mundur) dipaketkan di balik kulit steel, mengurangi ruang paket.
"Kami akan terus menggunakan pendekatan rekayasa cerdas untuk melihat masalah, mencari tahu bagaimana produk digunakan dan apa persyaratan fungsionalnya lalu mendorong batas," kesimpulan Heo.
