CarbonPro Composite Bed GM Revolusi Pickup Truck Modern
Saat ditanya tentang aspek paling menantang dari bak pickup komposit CFRTP terkuat serat karbon CarbonPro, yang debuted pada 2019 short-bed (crew-cab) GMC Sierra AT4 (off-road) dan Sierra Denali pickup setengah ton, Mark Voss, manajer grup teknik komposit struktural canggih dan bak pickup di General Motors Co. (GM, Detroit, Mich., AS), tertawa. "Bagian paling menantang?" tanyanya. "Setiap bagian dari proyek ini menantang. Semuanya baru: kami memiliki kriteria desain baru, spesifikasi performa tabrakan dan rambat belakang baru, ditambah kami memiliki bahan dan proses baru. Setiap bagian dari proses desain adalah tantangan pada satu titik atau lainnya. Namun, hasilnya berbicara sendiri: bak CarbonPro adalah eksekusi yang mengubah aturan permainan."
Pendekatan tim
Voss, yang sebelumnya bekerja pada aplikasi komposit untuk Corvette, tahu satu atau dua hal tentang inovasi dan membicarakan manajemen untuk mencoba hal baru. Mulai 2011, ia terlibat dalam negosiasi awal dan kemudian kerja pengembangan bersama dengan Teijin Ltd. (Tokyo, Jepang) untuk mengkomersialkan aplikasi otomotif untuk Sereebo CFRTP sheet composite yang baru dikembangkan Teijin (lihat "Sereebo CFRTP sheets: ‘Saving the Earth’"). Tiga tahun apa yang disebut Voss "learning cycles" — menjalankan uji coba dan evaluasi, menemukan dan menangani masalah, kemudian menjalankan lebih banyak uji coba dan evaluasi — diikuti sebelum anggota tim merasa mereka memahami bagaimana bahan tersebut berperilaku dan di mana menggunakannya. Itulah saat mereka mulai mencari aplikasi dan platform untuk debut industri otomotif Sereebo. Pada 2015, mereka telah mengidentifikasi bak pickup pada tahun model 2019 Sierra Denali sebagai ideal.
Ada sejumlah faktor yang mengarah pada keputusan. Pertama, ada skala ekonomi, karena truk ringan (pickup dan kendaraan utilitas sport) mewakili segmen kendaraan penumpang yang tumbuh paling cepat dan paling menguntungkan di Amerika Utara. Kedua, karena truk menggunakan konstruksi body-on-frame alih-alih monocoque, bak tidak menjadi bagian integral dari body-in-white, jadi tidak memerlukan performa termal untuk bertahan E-coat — lapisan pelindung korosi elektroforetik yang diterapkan pada komponen chassis pada awal pembuatan kendaraan. Ketiga, karena bak berada di luar ruang penumpang, uji tabrakan dan kasus beban akan lebih ringan daripada untuk struktur kabin itu sendiri, menjadikannya lokasi yang lebih rendah risiko untuk mencoba bahan dan proses baru. Terakhir, karena pelanggan GMC umumnya menerima teknologi yang baik teknologi dan mewah, mereka diharapkan menyambut semua fitur unik yang direncanakan tim.
Voss menggambarkan pendekatan "tim yang sebenarnya" terhadap pekerjaan pengembangan bahan dan proses yang dilakukan untuk menjadikan CarbonPro kenyataan. Tim itu mencakup GM, Teijin dan peluncur Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Mich., AS), yang bergabung pada upaya pada 2015 untuk membantu mengkomersialkan proses yang dikodevelop oleh GM dan Teijin dan untuk menghasilkan bak CarbonPro. CSP, yang dibeli oleh Teijin pada 2017, memiliki sejarah panjang dalam produksi bak pickup komposit lain dalam sheet molding compound (SMC).
Teknologi yang berkembang
Sereebo adalah komposit berbentuk lembar dengan matriks poliamida 6 (PA6) yang dikuatkan dengan serat karbon terputus/dicincang (25 milimeter, 24K tow). Tempat tidur serat telah digambarkan sebagai sangat terdistribusi dengan baik, memberikan bahan sifat isotropi tergantung pada cara dicetak.
Matriks termoplastik memberikan banyak manfaat. Pertama, karena mereka disuplai sudah terpolimer, termoplastik dicetak jauh lebih cepat daripada termoestabil, yang terpolimer dan saling bersilang dalam cetakan. Kelemahan dari polimer yang sudah terpolimer, Namun, adalah rantai molekuler lebih panjang, lebih kaku, dan lebih rumit, jadi lebih sulit untuk mendapatkan basahi serat yang baik. Oleh karena itu, fraksi volume serat cenderung lebih rendah daripada dengan termoestabil. Kedua, termoplastik juga cenderung memiliki densitas yang lebih rendah daripada termoestabil, berkontribusi pada peluang penurunan berat. Pentingnya, termoplastik menghasilkan permukaan yang jauh lebih baik dari cetakan, menghilangkan finishing setelah cetak yang signifikan — seperti penggerindaan dan pengecatan — yang sering diperlukan dengan komposit termoestabil. Selain itu, polimer "tahan" seperti PA6 memperpanjang performa termal dan meningkatkan resistensi kerusakan dibandingkan polipropilena, matriks paling umum untuk komposit termoplastik yang digunakan dalam otomotif. Manfaat lain adalah sisa/scrap termoplastik mudah didaur ulang (diproses ulang dengan mencair) dengan menggiling bahan dan memasukkannya ke aliran masukan lain dengan sistem resin yang sama — meskipun ini mempersingkat penguat serat.
Tentu saja, serat karbon memberikan kekakuan dan kekuatan yang lebih tinggi daripada serat kaca, pada berat lebih rendah dan tekanan dinding lebih tipis — meskipun dengan sedikit pengorbanan kekuatan tabrakan, yang dapat ditingkatkan melalui pilihan resin. Tow yang lebih berat lebih terjangkau daripada serat kelas penerbangan yang lebih halus dan umum digunakan dalam industri otomotif, di mana modulus biasanya adalah faktor pembatas dalam desain alih-alih kekuatan ultimat. Dengan menggunakan penguat serat dicincang alih-alih serat berkelanjutan, kekuatan ultimat berkurang, namun tetap lebih dari cukup untuk aplikasi otomotif dan dapat ditingkatkan melalui tekanan lebih tebal atau dengan menambahkan geometri (misalnya, ribbing) atau keduanya. Reportedly, satu grade Sereebo dalam dua tekanan digunakan untuk mencetak sebagian besar komponen bak pickup.
Pembentukan hibrid
Meskipun Sereebo mengalir setelah dipanaskan sebelumnya dan ditempatkan dalam cetakan, untuk mempertahankan isotropy alami, tim tidak mencetaknya alir seperti glass-mat thermoplastic (GMT) konvensional, direct-long-fiber thermoplastic (D-LFT), atau SMC. Sebaliknya, proses pembentukan hibrid yang menarik digunakan. Ini menggabungkan langkah preforming inovatif yang dilakukan menggunakan perangkat preforming terpasang robot (RMPD) diikuti oleh compression molding pada "tekanan konvensional." RMPD digambarkan sebagai tooling ujung lengan yang rumit yang unik untuk setiap bagian yang dicetak. Bagian dicetak lebih besar dari yang diperlukan — kemudian diratakan ke ukuran akhir setelah pencetakan.
"Sifat isotropi Sereebo bernilai emas jadi kami menciptakan proses untuk mempertahankan sifat material tersebut," catat Voss. "Masih, kami mencapai kedalaman gambar 14 hingga 16 inci [36 hingga 41 sentimeter] pada panel sisi dalam bahan struktural," katanya.
"Bahan Sereebo dicetak seperti GMT dan D-LFT," menjelaskan Steve Pelczarski, direktur teknik CSP untuk program dan pengembangan produk. "Namun, kami sengaja menjaga alir rendah dengan membatasi suhu blank selama pemanasan sebelumnya — pilihan yang melindungi baik resin dan stabilisator UV — dan dengan preforming lembaran di atas pres tepat sebelum pembentukan. Kedalaman gambar dan fitur yang dapat Anda hasilkan dalam Sereebo adalah tak terbatas asalkan Anda preforming bentuk sebelum mempresentasikan bahan ke cetakan."
Empat bagian terbesar CarbonPro — headboard, panel sisi kanan dan kiri, dan platform/lantai — dibentuk pada pres Dieffenbacher 3.600 ton metrik baru dengan siklus buka/tutup cepat (5-detik) (lihat "CarbonPro box: New forming process") di pabrik CSP di Huntington, Ind., AS, 30 menit dari pabrik Fort Wayne Assembly GM (Roanoke, Ind., AS) di mana 2019 Chevrolet Silverado dan GMC Sierra pickup dirakit. Beberapa bagian CarbonPro yang lebih kecil — dalam Sereebo murni serta dalam beberapa LFT daur ulang (menggunakan sisa Sereebo yang digiling ditambah beberapa PA6 murni untuk meningkatkan alir) — di compression molding di dekat sini pada pres 1.200 ton metrik yang lebih kecil. Tiga langkah sub-bonding menggabungkan silang kereta, kubah roda, dan modul panel sisi, kemudian sub-assembly tersebut dikumpulkan dalam langkah bonding bak utama akhir di mana perakitan bak akhir terjadi. Perekat struktural urethan dua bagian (Pliogrip 8500 dari Ashland LLC, Columbus, Ohio, AS) digunakan di seluruhnya.
"Kami mendapatkan 75 persen retensi properti dalam Sereebo daur ulang untuk kantong tiang kiri dan kanan," tambah Voss. "Ini adalah menang-menang besar, karena membantu kasus bisnis kami sambil membuat proses lebih berkelanjutan." Tergantung pada bagaimana bagian PIR (post-industrial recyclate) berprestasi di lapangan, GM dan CSP memiliki rencana untuk menggunakan kembali 100 persen sisa Sereebo di tempat lain di kendaraan, yang akan membuat proses baru ini nol pemborosan.
CSP juga memproduksi penutup pintu belakang compression molding dalam kaca serat/PP D-LFT, rangka kubah roda injection molding dan panel pengisi depan dalam kaca serat/PA6, mini-sill dalam pultrusion epoksi terkuat serat kaca, dan tiga dari empat silang kereta bak dalam Sereebo.
Fitur yang difokuskan pada pelanggan
Bak CarbonPro juga mencakup fitur khusus yang meningkatkan kendaraan dan ruang kargo-nya (lihat "Discriminating features"). Pertama, bak terbukti sangat tahan tabrakan (lihat video di bawah), yang merupakan manfaat fungsional besar yang menghilangkan kebutuhan akan bedliner. Tidak hanya tidak akan karat atau berlubang, tetapi komposit hitam MIC yang dicetak tidak memerlukan cat atau pelapis untuk melindunginya dari goresan dan cuaca.
Kedua, banyak pekerjaan dilakukan dalam merancang struktur lantai bergelombang. Tekstur ringan digunakan di saluran sehingga kotoran dan nodah mudah dicuci, sementara tekstur "grippy" agresif dicetak di puncak untuk memastikan stabilitas yang baik bahkan ketika bak basah atau debu. Kantong sepeda motor khusus di headboard dan talian perekat (yang masing-masing mampu muatan 227 kilogram) memungkinkan pelanggan untuk mengikat dua sepeda dirt di sisi kiri dan kanan, atau sepeda motor Harley-Davidson "Fat Boy" di tengah-depan bak. Talian perekat tambahan didistribusikan secara strategis untuk membantu menstabilkan berbagai muatan. Lampu integral menerangi interior bak di sekitar flared fender dan pintu belakang (baik standar atau enam posisi Multipro — lihat "Discriminating features").
Bak komposit memainkan peran penting dalam konstruksi bahan bercampur Sierra (menggabungkan aluminium, baja tahan tinggi dan baja dibentuk gulungan, ditambah komposit dan plastik), kombinasi yang mengurangi 163 kilogram dari model keluar.
