La caja CarbonPro de GM revoluciona las pickups modernas

Al preguntarle sobre el aspecto más desafiante de la caja de compuesto termoplástico reforzado con fibra de carbono (CFRTP) CarbonPro, que debutó en las pickups GMC Sierra AT4 (todo terreno) y Sierra Denali de media tonelada y caja corta (cabina doble) del modelo 2019, Mark Voss, gerente de grupo de ingeniería de compuestos estructurales avanzados y cajas de pickup en General Motors Co. (GM, Detroit, Míchigan, EE. UU.), se ríe. "¿La parte más desafiante?", pregunta. "Cada parte de este proyecto fue desafiante. 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 que cambia las reglas del juego".

Enfoque de equipo

Voss, quien trabajó anteriormente en aplicaciones de compuestos para el Corvette, sabe un par de cosas sobre innovación y convencer a la dirección para probar cosas nuevas. A partir de 2011, participó en negociaciones iniciales y posterior trabajo de desarrollo conjunto con Teijin Ltd. (Tokio, Japón) para comercializar aplicaciones automotrices para el compuesto en lámina CFRTP Sereebo recién desarrollado por Teijin (ver "Láminas Sereebo CFRTP: 'Salvando la Tierra'"). Siguieron tres años de lo que Voss llama "ciclos de aprendizaje" —realizar pruebas y evaluaciones, encontrar y abordar problemas, luego realizar más pruebas 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 plataforma para el debut automotriz de Sereebo. Para 2015, habían identificado la caja de la pickup en el modelo Sierra Denali del año 2019 como ideal.

Hubo varios factores que llevaron a la decisión. Primero, la economía de escala, ya que las camionetas ligeras (pickups y SUV) representan el segmento de vehículos de pasajeros de más rápido crecimiento y más rentable en Norteamérica. Segundo, como los camiones usan construcción body-on-frame en lugar de monocasco, la caja no es integral para la carrocería en blanco, por lo que no requiere el rendimiento térmico para sobrevivir al E-coat —el recubrimiento de corrosión electroforético aplicado a los componentes del chasis al inicio de la construcción del vehículo. Tercero, como la caja se encuentra fuera del compartimento de pasajeros, las pruebas de impacto y casos de carga serían menos severos que los de la propia estructura de la cabina, lo que la convierte en una ubicación menos arriesgada para probar un nuevo material y proceso. Por último, como los clientes de GMC generalmente adoptan tecnología que es tanto de alta tecnología como lujosa, se espera que den la bienvenida a todas las características únicas que el equipo planeaba.

Voss describe un "verdadero enfoque de equipo" para el trabajo de desarrollo de material y proceso que hizo realidad el CarbonPro. Ese equipo incluía a GM, Teijin y el moldeador Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Míchigan, EE. UU.), que se unió al esfuerzo en 2015 para ayudar a comercializar el proceso que GM y Teijin codeveloparon y para producir la caja CarbonPro. CSP, que fue comprada por Teijin en 2017, tiene una larga historia produciendo otras cajas de pickup en compuesto de moldeo en lámina (SMC).

Tecnología en evolución

Sereebo es un compuesto en forma de lámina que presenta una matriz de poliamida 6 (PA6) reforzada con fibra de carbono discontinua/picada (25 milímetros, 24K tow). La cama de fibra se ha descrito como muy bien distribuida, dando al material propiedades isotrópicas dependiendo de cómo se moldea.

La matriz termoplástica proporciona muchos beneficios. Primero, porque se suministran pre-polimerizados, los termoplásticos moldean mucho más rápido que los termoestables, que polimerizan y entrecruzan en la herramienta. La desventaja de los polímeros pre-polimerizados, sin embargo, es que las cadenas moleculares son más largas, rígidas y enredadas, por lo que es más difícil obtener un buen mojado de fibra. Por lo tanto, la fracción de volumen de fibra tiende a ser menor que con termoestables. Segundo, los termoplásticos también tienden a tener menor densidad que los termoestables, contribuyendo a oportunidades de aligeramiento. Lo más importante, los termoplásticos producen superficies mucho mejores fuera de la herramienta, eliminando el significativo acabado posterior al moldeo —como lijado y pintura— que a menudo son necesarios con compuestos termoestables. Además, un polímero "tenaz" como PA6 extiende el rendimiento térmico y aumenta la resistencia al daño comparado con el polipropileno, la matriz más común para compuestos termoplásticos usados en automoción. Otro beneficio es que el desperdicio/recorte termoplástico se recicla fácilmente (reprocesado por fusión) moliendo el material y poniéndolo en otra corriente de alimentación con el mismo sistema de resina —aunque esto acorta los refuerzos de fibra.

Por supuesto, la fibra de carbono contribuye con mayor rigidez y resistencia que la fibra de vidrio, a menor peso y secciones de pared más delgadas —aunque con un pequeño sacrificio en resistencia al impacto, que puede mejorarse mediante selección de resina. Los tows 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 última. Al usar refuerzo de fibra picada en lugar de continua, la resistencia última se reduce, pero sigue siendo más que adecuada para aplicaciones automotrices y puede mejorarse mediante secciones más gruesas o añadiendo geometría (por ejemplo, nervaduras) o ambas. Según informes, un solo grado de Sereebo en dos espesores se usa para moldear la mayoría de los componentes de la caja de la pickup.

Conformado híbrido

Aunque Sereebo fluye una vez precalentado y colocado en una herramienta, para mantener su isotropía natural, el equipo no lo conforma por flujo como el termoplástico de esterilla de vidrio (GMT) convencional, termoplástico de fibra larga directa (D-LFT) o SMC. Más bien, se usa un interesante proceso de conformado híbrido. Combina un innovador paso de preconformado realizado usando un dispositivo de preconformado montado en robot (RMPD) seguido de moldeo por compresión a "presiones convencionales". El RMPD se describe como herramienta de extremo de brazo complicada que es única para cada pieza moldeada. Las piezas se moldean más grandes de lo necesario —luego se recortan al tamaño final después del moldeo.

"Las propiedades isotrópicas de Sereebo valen su peso en oro, así que creamos un proceso para retener esas propiedades del material", señala Voss. "Aun así, logramos profundidades de embutición de 14 a 16 pulgadas [36 a 41 centímetros] en los paneles laterales en materiales estructurales", añade.

"El material Sereebo moldea como GMT y D-LFT", explica Steve Pelczarski, director de ingeniería de CSP para desarrollo de programa y producto. "Sin embargo, deliberadamente mantenemos el flujo bajo limitando la temperatura de la lámina durante el precalentamiento —una opción que protege tanto la resina como el estabilizador UV— y preconformando la lámina sobre la prensa justo antes del conformado. La profundidad de embutición y las características que puedes producir en Sereebo son infinitas siempre y cuando preconformes la forma antes de presentar el material a la herramienta".

Las cuatro piezas más grandes del CarbonPro —el cabecero, paneles derecho e izquierdo, y la plataforma/suelo— se conforman en una nueva prensa Dieffenbacher de 3.600 toneladas métricas con un ciclo rápido de apertura/cierre de 5 segundos (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 se ensamblan las pickups Chevrolet Silverado y GMC Sierra 2019. Varias piezas más pequeñas del CarbonPro —en Sereebo virgen así como en algunos LFT reciclados (usando recorte de Sereebo molido más algo de PA6 virgen para mejorar el flujo)— se moldean por compresión cerca en una prensa de 1.200 toneladas métricas más pequeña. Tres pasos de sub-ensamblaje unen largueros transversales, guardabarros y módulos de paneles laterales, luego esos sub-ensamblajes se unen en un paso final de ensamblaje principal de la caja donde ocurre el ensamblaje final. Se usa un adhesivo estructural de uretano de dos componentes (Pliogrip 8500 de Ashland LLC, Columbus, Ohio, EE. UU.) en todo el proceso.

"Obtenemos 75 por ciento de retención de propiedades en el Sereebo reciclado para bolsas de estaca izquierda y derecha", añade Voss. "Esto es un gran ganar-ganar, porque ayuda a nuestro caso de negocio mientras hace el proceso más sostenible". Dependiendo de cómo se comporten las piezas de reciclado post-industrial (PIR) en el campo, GM y CSP tienen planes de reutilizar el 100 por ciento del recorte de Sereebo en otras partes del vehículo, lo que haría el nuevo proceso cero residuos.

CSP también produce tapas de portón trasero moldeadas por compresión en D-LFT de fibra de vidrio/PP, ensamblajes de guardabarros moldeados por inyección y paneles frontales de relleno en fibra de vidrio/PA6, mini-largueros en pultrusión de fibra de vidrio/epoxi, y tres de los cuatro largueros transversales de la caja en Sereebo.

Características centradas en el cliente

La caja CarbonPro también incluye características especiales que mejoran el vehículo y su espacio de carga (ver "Características discriminatorias"). Primero, la caja ha demostrado ser increíblemente resistente al impacto (ver video abajo), lo que es un enorme beneficio funcional que elimina la necesidad de protector de caja. No solo no se oxida ni abolla, sino que el compuesto negro de color moldeado (MIC) no necesita pintura ni recubrimientos para protegerlo contra rayaduras e intemperie.

Segundo, mucho trabajo se dedicó a diseñar la estructura de suelo acanalado. Una textura ligera se usa en los canales para que la suciedad y la mugre se laven fácilmente, mientras que una textura "agarradera" agresiva se moldea en las crestas para asegurar buena estabilidad incluso cuando la caja está mojada o polvorienta. Bolsillos especiales para motocicletas en el cabecero y anclajes atornillados (cada uno capaz de cargas de 227 kilogramos) permiten a los clientes asegurar dos motos de cross en lados izquierdo y derecho, o una motocicleta Harley-Davidson "Fat Boy" en el centro-frontal de la caja. Anclajes adicionales se distribuyen estratégicamente para ayudar a estabilizar diversas cargas. Luces integradas iluminan el interior de la caja alrededor de los guardabarros y el portón trasero (ya sea estándar o Multipro de seis posiciones —ver "Características discriminatorias").

La caja de compuesto juega un papel importante en la construcción de materiales mixtos del Sierra (combinando aluminio, acero de alta resistencia y conformado en rollo, más compuesto y plástico), una combinación que reduce 163 kilogramos respecto al modelo saliente.