Potongan serat karbon, poliamida, dan inovasi mendefinisikan ulang bak truk pickup modern

Ketika ditanya tentang aspek yang paling menantang dari kotak pickup komposit karbon-fiber-diperkuat termoplastik (CFRTP) CarbonPro, yang memulai debutnya di GMC short-bed (kru-cab) 2019 Sierra AT4 (off-road) dan Sierra Denali setengah ton pickup, Mark Voss, manajer grup teknik komposit struktural canggih dan kotak pickup di General Motors Co. (GM, Detroit, Mich., A.S.), tertawa. “Yang paling bagian yang menantang?” dia bertanya. “Setiap bagian dari proyek ini sangat menantang. Semuanya baru:kami memiliki kriteria desain baru, dampak baru, dan spesifikasi kinerja penghalang belakang, ditambah kami memiliki material dan proses baru. Setiap bagian dari proses desain merupakan tantangan pada satu titik atau lainnya. Namun, hasilnya berbicara sendiri:kotak CarbonPro adalah eksekusi yang mengubah permainan.”

Pendekatan tim

Voss, yang sebelumnya mengerjakan aplikasi komposit untuk Corvette, tahu satu atau dua hal tentang inovasi dan berbicara manajemen untuk mencoba hal-hal baru. Mulai tahun 2011, ia terlibat dalam negosiasi awal dan kemudian pekerjaan pengembangan bersama dengan Teijin Ltd. (Tokyo, Jepang) untuk mengkomersialkan aplikasi otomotif untuk komposit lembaran Sereebo CFRTP yang baru dikembangkan (lihat “Lembar CFRTP Sereebo:'Menyelamatkan Bumi' ”). Tiga tahun dari apa yang disebut Voss sebagai "siklus pembelajaran" — menjalankan uji coba dan evaluasi, menemukan dan mengatasi masalah, kemudian menjalankan lebih banyak uji coba dan evaluasi — diikuti sebelum anggota tim merasa mereka memahami bagaimana materi berperilaku dan di mana menggunakannya. Saat itulah mereka mulai mencari aplikasi dan platform untuk debut industri otomotif Sereebo. Pada tahun 2015, mereka telah mengidentifikasi kotak pickup pada model tahun 2019 Sierra Denali sebagai ideal.

Ada beberapa faktor yang melatarbelakangi keputusan tersebut. Pertama, ada skala ekonomi, karena truk ringan (pikap dan kendaraan sport) mewakili segmen kendaraan penumpang yang tumbuh paling cepat dan paling menguntungkan di Amerika Utara. Kedua, karena truk menggunakan body-on-frame dan bukan konstruksi monocoque, boks tidak terpisahkan dengan body-in-white, sehingga tidak memerlukan kinerja termal untuk bertahan dari E-coat — lapisan korosi elektroforesis yang diterapkan pada sasis komponen pada awal pembuatan kendaraan. Ketiga, karena boks berada di luar kompartemen penumpang, uji benturan dan kasus beban akan lebih ringan dibandingkan dengan struktur kabin itu sendiri, menjadikannya lokasi yang tidak terlalu berisiko untuk mencoba material dan proses baru. Terakhir, karena pelanggan GMC umumnya merangkul teknologi yang berteknologi tinggi dan mewah, mereka diharapkan untuk menyambut semua fitur unik yang direncanakan tim.

Voss menjelaskan “pendekatan tim yang sebenarnya” terhadap pekerjaan pengembangan material dan proses yang dilakukan untuk membuat CarbonPro menjadi kenyataan. Tim tersebut termasuk GM, Teijin dan cetakan Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Mich., U.S.), yang bergabung dalam upaya tersebut pada tahun 2015 untuk membantu mengkomersialkan proses yang dikembangkan bersama oleh GM dan Teijin dan untuk memproduksi kotak CarbonPro. CSP, yang dibeli oleh Teijin pada tahun 2017, memiliki sejarah panjang dalam memproduksi kotak pickup komposit lainnya dalam senyawa cetakan lembaran (SMC).

Teknologi yang berkembang

Sereebo adalah komposit bentuk lembaran yang menampilkan matriks poliamida 6 (PA6) yang diperkuat dengan serat karbon terputus/cincang (25 milimeter, derek 24K). Lapisan serat telah digambarkan sebagai terdistribusi dengan sangat baik, memberikan sifat isotropik material tergantung pada bagaimana itu dibentuk.

Matriks termoplastik memberikan banyak manfaat. Pertama, karena dipasok pra-polimerisasi, termoplastik terbentuk jauh lebih cepat daripada termoset, yang mempolimerisasi dan menghubungkan silang dalam alat. Kelemahan dari polimer pra-polimerisasi, bagaimanapun, adalah bahwa rantai molekul lebih panjang, kaku, dan lebih kusut, sehingga lebih sulit untuk mendapatkan pembasahan serat yang baik. Oleh karena itu, fraksi volume serat cenderung lebih rendah dibandingkan dengan termoset. Kedua, termoplastik juga cenderung memiliki densitas yang lebih rendah daripada termoset, memberikan kontribusi peluang ringan. Yang terpenting, termoplastik menghasilkan permukaan yang jauh lebih baik dari alat, menghilangkan penyelesaian pasca-cetakan yang signifikan — seperti pengamplasan dan pengecatan — yang sering diperlukan dengan komposit termoset. Selain itu, polimer "keras" seperti PA6 meningkatkan kinerja termal dan meningkatkan ketahanan terhadap kerusakan dibandingkan dengan polipropilena, matriks paling umum untuk komposit termoplastik yang digunakan dalam otomotif. Manfaat lainnya adalah bahwa jeroan/skrap termoplastik mudah didaur ulang (meleleh diproses ulang) dengan menggiling material dan memasukkannya ke aliran umpan lain dengan sistem resin yang sama — meskipun hal ini mempersingkat penguatan serat.

Tentu saja, serat karbon memberikan kontribusi kekakuan dan kekuatan yang lebih tinggi daripada serat kaca, dengan bobot yang lebih rendah dan bagian dinding yang lebih tipis — meskipun dengan sedikit pengorbanan dalam kekuatan benturan, yang dapat ditingkatkan melalui pemilihan resin. Derek yang lebih berat lebih terjangkau daripada kelas kedirgantaraan yang lebih halus dan umumnya digunakan dalam industri otomotif, di mana modulus biasanya merupakan faktor pembatas dalam desain daripada kekuatan pamungkas. Dengan menggunakan perkuatan serat yang dicacah daripada serat kontinu, kekuatan pamungkas berkurang, tetapi tetap lebih dari cukup untuk aplikasi otomotif dan dapat ditingkatkan melalui bagian yang lebih tebal atau dengan menambahkan geometri (misalnya, ribbing) atau keduanya. Dilaporkan, satu grade Sereebo dalam dua ketebalan digunakan untuk membentuk sebagian besar komponen kotak pickup.

Pembentukan hibrida

Meskipun Sereebo mengalir setelah dipanaskan dan ditempatkan di alat, untuk mempertahankan isotropi alaminya, tim tidak membentuk aliran seperti termoplastik tikar kaca konvensional (GMT), termoplastik serat panjang langsung (D-LFT), atau SMC . Sebaliknya, proses pembentukan hibrida yang menarik digunakan. Ini menggabungkan langkah preforming inovatif yang dicapai menggunakan perangkat preforming yang dipasang di robot (RMPD) diikuti dengan pencetakan kompresi pada "tekanan konvensional." RMPD digambarkan sebagai perkakas ujung lengan yang rumit yang unik untuk setiap bagian yang dicetak. Bagian dicetak lebih besar dari yang diperlukan — kemudian dipotong menjadi ukuran akhir setelah dicetak.

“Sifat isotropik Sereebo sebanding dengan beratnya dalam emas, jadi kami menciptakan proses untuk mempertahankan sifat material tersebut,” catat Voss. “Tetap saja, kami mencapai kedalaman penarikan 14 hingga 16 inci [36 hingga 41 sentimeter] pada panel samping di struktural bahan,” tambahnya.

“Bahan Sereebo membentuk seperti GMT dan D-LFT,” jelas Steve Pelczarski, direktur teknik CSP untuk program dan pengembangan produk. “Namun, kami sengaja menjaga aliran tetap rendah dengan membatasi suhu blanko selama pemanasan awal — pilihan yang melindungi resin dan penstabil UV — dan dengan membentuk lembaran di atas mesin press sebelum dibentuk. Kedalaman gambar dan fitur yang dapat Anda hasilkan di Sereebo tidak terbatas selama Anda membentuk bentuk sebelumnya sebelum mempresentasikan materi ke alat ini.”

Empat bagian CarbonPro terbesar — ​​kepala tempat tidur, panel samping kanan dan kiri, dan platform/lantai — dibentuk pada mesin press Dieffenbacher 3.600 metrik ton baru dengan cepat (5-detik ) siklus buka/tutup (lihat “Kotak KarbonPro:Proses pembentukan baru”) di pabrik CSP's Huntington, Ind., AS, 30 menit dari pabrik GM Fort Wayne Assembly (Roanoke, Ind., AS) di mana 2019 Chevrolet Silverado dan GMC Sierra pickup dirakit. Beberapa bagian CarbonPro yang lebih kecil — di Sereebo perawan serta di beberapa LFT daur ulang (menggunakan skrap Sereebo tanah ditambah beberapa PA6 perawan untuk meningkatkan aliran) — dicetak dengan kompresi di dekatnya pada mesin press 1.200 metrik ton yang lebih kecil. Tiga langkah sub-ikatan bergabung dengan kusen lintas mobil, sumur roda dan modul panel samping, kemudian sub-rakitan tersebut disatukan dalam langkah ikatan kotak utama terakhir di mana perakitan kotak akhir terjadi. Perekat struktural uretan dua bagian (Pliogrip 8500 dari Ashland LLC, Columbus, Ohio, AS) digunakan di seluruh bagian.

“Kami mendapatkan 75 persen retensi properti di Sereebo daur ulang untuk kantong pasak kiri dan kanan,” tambah Voss. “Ini adalah win-win yang besar, karena membantu kasus bisnis kami sekaligus membuat prosesnya lebih berkelanjutan.” Bergantung pada bagaimana suku cadang daur ulang pasca-industri (PIR) berjalan di lapangan, GM dan CSP memiliki rencana untuk menggunakan kembali 100 persen skrap Sereebo di tempat lain di dalam kendaraan, yang akan membuat proses baru tanpa limbah.

CSP juga memproduksi penutup gerbang akhir cetakan kompresi dalam serat kaca/PP D-LFT, rakitan rumah roda cetakan injeksi dan panel pengisi depan dalam serat kaca/PA6, kusen mini dalam pultrusi epoksi yang diperkuat serat kaca, dan tiga dari empat kusen mobil silang di Sereebo.

Fitur yang berfokus pada pelanggan

Kotak CarbonPro juga mencakup fitur khusus yang meningkatkan kendaraan dan ruang kargonya (lihat “Fitur pembeda”). Pertama, kotak ini terbukti sangat tahan benturan (lihat video di bawah ), yang merupakan manfaat fungsional besar yang menghilangkan kebutuhan akan bedliner. Tidak hanya tidak berkarat atau penyok, tetapi komposit hitam yang dicetak dengan warna (MIC) tidak memerlukan cat atau pelapis untuk melindunginya dari goresan dan pelapukan.

Kedua, banyak pekerjaan yang dilakukan untuk merancang struktur lantai bergelombang. Tekstur ringan digunakan di bak sehingga kotoran dan kotoran mudah dibersihkan, sementara tekstur agresif yang “mencengkeram” dibentuk menjadi puncak untuk memastikan stabilitas yang baik bahkan saat tempat tidur basah atau berdebu. Kantong sepeda motor khusus di kepala tempat tidur dan pengikat pengikat (masing-masing mampu memuat 227 kilogram) memungkinkan pelanggan untuk mengamankan dua sepeda motor trail di sisi kiri dan kanan, atau sepeda motor Harley-Davidson "Fat Boy" di bagian tengah-depan kotak . Tie down tambahan didistribusikan secara strategis untuk membantu menstabilkan berbagai beban. Lampu integral menerangi interior kotak di sekitar suar spatbor dan bak truk (baik Multipro standar atau enam posisi — lihat “Fitur pembeda”).

Kotak komposit memainkan peran penting dalam Sierra konstruksi bahan campuran (menggabungkan aluminium, baja berkekuatan tinggi dan baja roll-formed, ditambah komposit dan plastik), kombinasi yang memangkas 163 kilogram dari model sebelumnya.