La fibra de carbono cortada, la poliamida y la innovación redefinen la caja de la camioneta pickup moderna

Cuando se le preguntó sobre el aspecto más desafiante de la caja de recogida de material compuesto termoplástico reforzado con fibra de carbono (CFRTP) CarbonPro, que debutó en la GMC Sierra AT4 de caja corta (cabina doble) 2019 (todoterreno) y Sierra Denali camionetas de media tonelada, Mark Voss, gerente del grupo de ingeniería de compuestos estructurales avanzados y cajas de camionetas en General Motors Co. (GM, Detroit, Michigan, EE. UU.), se ríe. "El más parte desafiante? " él pide. “Cada parte de este proyecto fue un desafío. Todo era nuevo:teníamos nuevos criterios de diseño, nuevas especificaciones de rendimiento de impacto y barrera trasera, además de un nuevo material y proceso. Cada parte del proceso de diseño fue un desafío en un momento u otro. Sin embargo, los resultados hablan por sí mismos:la caja CarbonPro es una ejecución revolucionaria ”.

Enfoque de equipo

Voss, quien anteriormente trabajó en aplicaciones compuestas para Corvette , sabe un par de cosas sobre innovación y convencer a la administración para que pruebe cosas nuevas. A partir de 2011, participó en las negociaciones iniciales y posteriormente en el trabajo de desarrollo conjunto con Teijin Ltd. (Tokio, Japón) para comercializar aplicaciones automotrices para el compuesto de láminas Sereebo CFRTP desarrollado por Teijin (consulte "Láminas Sereebo CFRTP:'Salvar la Tierra') ”). Después de tres años de lo que Voss llama "ciclos de aprendizaje" - ejecutar ensayos y evaluaciones, encontrar y abordar problemas, luego ejecutar más ensayos y evaluaciones - antes de que los miembros del equipo sintieran que entendían cómo se comportaba el material y dónde usarlo. Fue entonces cuando comenzaron a buscar una aplicación y una plataforma para el debut de Sereebo en la industria automotriz. Para 2015, identificaron la caja de la camioneta en el año modelo 2019 Sierra Denali como ideal.

Hubo una serie de factores que llevaron a la decisión. Primero, estaba la economía de escala, ya que los camiones ligeros (camionetas y vehículos deportivos utilitarios) representan el segmento de vehículos de pasajeros más rentable y de más rápido crecimiento en América del Norte. En segundo lugar, dado que los camiones usan carrocería sobre bastidor en lugar de una construcción monocasco, la caja no es parte integral de la carrocería en blanco, por lo que no requiere el rendimiento térmico para sobrevivir al E-coat, el recubrimiento de corrosión electroforético aplicado al chasis. componentes al inicio de la fabricación del vehículo. En tercer lugar, dado que la caja se encuentra fuera del compartimiento de pasajeros, las pruebas de impacto y los casos de carga serían menos severos que los de la estructura de la cabina en sí, por lo que es un lugar menos riesgoso para probar un nuevo material y proceso. Por último, dado que los clientes de GMC generalmente adoptan tecnología que es tanto de alta tecnología como de lujo, se espera que reciban todas las características únicas que el equipo estaba planeando.

Voss describe un "verdadero enfoque de equipo" para el trabajo de desarrollo de materiales y procesos que contribuyó a hacer realidad el CarbonPro. Ese equipo incluía a GM, Teijin y el moldeador Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan, EE. UU.), Que se unieron al esfuerzo en 2015 para ayudar a comercializar el proceso desarrollado conjuntamente por GM y Teijin y para producir la caja CarbonPro. CSP, que fue comprada por Teijin en 2017, tiene una larga trayectoria en la producción de otras cajas de recolección compuestas en compuesto de moldeo en láminas (SMC).

Tecnología en evolución

Sereebo es un compuesto en forma de hoja con una matriz de poliamida 6 (PA6) reforzada con fibra de carbono discontinua / cortada (25 milímetros, remolque 24K). Se ha descrito que el lecho de fibras está muy bien distribuido, lo que confiere al material propiedades isotrópicas según cómo esté moldeado.

La matriz termoplástica proporciona muchos beneficios. Primero, porque se suministran prepolimerizados, los termoplásticos moldean mucho más rápido que los termoestables, que polimerizan y reticulan en la herramienta. Sin embargo, la desventaja de los polímeros prepolimerizados es que las cadenas moleculares son más largas, más rígidas y más enredadas, por lo que es más difícil conseguir una buena humectación de la fibra. Por lo tanto, la fracción de volumen de fibra tiende a ser menor que con los termoendurecibles. En segundo lugar, los termoplásticos también tienden a tener una densidad más baja que los termoestables, lo que aporta oportunidades de aligeramiento. Lo más importante es que los termoplásticos producen superficies mucho mejores fuera de la herramienta, eliminando el importante acabado posterior al molde, como el lijado y la pintura, que a menudo son necesarios con los compuestos termoendurecibles. Además, un polímero "resistente" como PA6 extiende el rendimiento térmico y aumenta la resistencia al daño en comparación con el polipropileno, la matriz más común para los compuestos termoplásticos utilizados en la automoción. Otro beneficio es que los despojos / desechos termoplásticos se reciclan fácilmente (reprocesan por fusión) triturando el material y colocándolo en otra corriente de alimentación con el mismo sistema de resina, aunque esto acorta los refuerzos de fibra.

Por supuesto, la fibra de carbono aporta mayor rigidez y resistencia que la fibra de vidrio, con menor peso y secciones de pared más delgadas, aunque con un pequeño sacrificio en la resistencia al impacto, que puede mejorarse mediante la selección de resina. Los remolques más pesados ​​son más asequibles que los grados aeroespaciales más finos y se usan comúnmente en la industria automotriz, donde el módulo suele ser el factor limitante en los diseños en lugar de la resistencia máxima. Al usar refuerzo de fibra cortada en lugar de continuo, se reduce la resistencia máxima, pero sigue siendo más que adecuada para aplicaciones automotrices y se puede mejorar mediante secciones más gruesas o agregando geometría (por ejemplo, nervaduras) o ambos. Según se informa, se está utilizando un solo grado de Sereebo en dos espesores para moldear la mayoría de los componentes de la caja de recogida.

Conformado híbrido

Aunque Sereebo fluye una vez precalentado y colocado en una herramienta, para mantener su isotropía natural, el equipo no lo forma por flujo como el termoplástico de esterilla de vidrio convencional (GMT), el termoplástico directo de fibra larga (D-LFT) o SMC. . Por el contrario, se utiliza un interesante proceso de formación de híbridos. Combina un paso de preformado innovador realizado mediante un dispositivo de preformado montado en un robot (RMPD) seguido de moldeo por compresión a "presiones convencionales". El RMPD se describe como una herramienta complicada de fin de brazo que es única para cada pieza que se está moldeando. Las piezas se moldean más grandes de lo necesario y luego se recortan al tamaño final después del moldeado.

"Las propiedades isotrópicas de Sereebo valen su peso en oro, por lo que creamos un proceso para retener esas propiedades del material", señala Voss. "Aún así, estamos logrando profundidades de dibujo de 14 a 16 pulgadas [36 a 41 centímetros] en los paneles laterales en estructural materiales ”, añade.

“El material de Sereebo se moldea como GMT y D-LFT”, explica Steve Pelczarski, director de ingeniería de CSP para el desarrollo de programas y productos. “Sin embargo, deliberadamente mantenemos el flujo bajo limitando la temperatura de la pieza en bruto durante el precalentamiento, una opción que protege tanto la resina como el estabilizador UV, y preformando la hoja sobre la prensa justo antes de la formación. La profundidad de dibujo y las características que puede producir en Sereebo son infinitas siempre que preforma la forma antes de presentar el material a la herramienta ”.

Las cuatro partes más grandes de CarbonPro (la cabecera, los paneles laterales derecho e izquierdo y la plataforma / piso) se forman en una nueva prensa Dieffenbacher de 3600 toneladas métricas con una velocidad rápida (5 segundos ) ciclo de apertura / cierre (ver "Caja CarbonPro:Nuevo proceso de conformado") en la planta de CSP en Huntington, Indiana, EE. UU., a 30 minutos de la planta de ensamblaje de Fort Wayne de GM (Roanoke, Indiana, EE. UU.) donde 2019 Chevrolet Silverado y GMC Sierra las camionetas están ensambladas. Varias piezas CarbonPro más pequeñas, en Sereebo virgen y en algunas LFT recicladas (que usan chatarra Sereebo molida más algo de PA6 virgen para mejorar el flujo), se moldean por compresión cerca en una prensa más pequeña de 1200 toneladas métricas. Tres pasos de unión secundaria unen los umbrales de los vagones, los huecos de las ruedas y los módulos del panel lateral, luego esos subconjuntos se unen en un paso final de unión de la caja principal donde se produce el ensamblaje final de la caja. En todas partes se utiliza un adhesivo estructural de uretano de dos componentes (Pliogrip 8500 de Ashland LLC, Columbus, Ohio, EE. UU.).

"Estamos obteniendo una retención de propiedad del 75 por ciento en el Sereebo reciclado para los bolsillos de estaca izquierdo y derecho", agrega Voss. "Esta es una gran ventaja para todos, porque ayuda con nuestro caso comercial al tiempo que hace que el proceso sea más sostenible". Dependiendo de cómo les vaya a las piezas de reciclado postindustrial (PIR) en el campo, GM y CSP tienen planes de reutilizar el 100 por ciento de la chatarra de Sereebo en otras partes del vehículo, lo que haría que el nuevo proceso no genere desperdicios.

CSP también está produciendo cubiertas de compuerta de extremo moldeadas por compresión en fibra de vidrio / PP D-LFT, ensamblajes de caseta de rueda moldeados por inyección y paneles de relleno frontal en fibra de vidrio / PA6, mini umbrales en pultrusiones epoxi reforzadas con fibra de vidrio y tres de los los cuatro umbrales de cross-car de box en Sereebo.

Funciones centradas en el cliente

La caja CarbonPro también incluye características especiales que mejoran el vehículo y su espacio de carga (consulte "Características discriminatorias"). Primero, la caja ha demostrado ser increíblemente resistente a los impactos ( ver el video a continuación ), que es un gran beneficio funcional que elimina la necesidad de un forro de cama. No solo no se oxidará ni abollará, sino que el compuesto negro moldeado en color (MIC) no necesita pintura ni recubrimientos para protegerlo contra raspaduras y la intemperie.

En segundo lugar, se trabajó mucho en el diseño de la estructura del piso corrugado. Se usa una textura ligera en los comederos para que la suciedad y la mugre se eliminen fácilmente, mientras que una textura agresiva "adherente" se moldea en crestas para asegurar una buena estabilidad incluso cuando la cama está mojada o polvorienta. Los bolsillos especiales para motocicletas en la cabecera y las ataduras adheridas (cada una con capacidad para cargas de 227 kilogramos) permiten a los clientes asegurar dos motos de cross en los lados izquierdo y derecho, o una motocicleta Harley-Davidson "Fat Boy" en el centro de la parte delantera de la caja. . Los amarres adicionales se distribuyen estratégicamente para ayudar a estabilizar varias cargas. Las luces integradas iluminan el interior de la caja alrededor de los guardabarros y el portón trasero (ya sea estándar o Multipro de seis posiciones; consulte "Funciones discriminatorias").

La caja compuesta juega un papel importante en la Sierra Construcción de materiales mixtos (que combina aluminio, acero laminado y de alta resistencia, además de material compuesto y plástico), una combinación que reduce 163 kilogramos del modelo anterior.