Chevrolet Silverado 2019: Leichte thermoplastische Stoßfängerhalterungen steigern Performance

GMs Modelljahr 2019 (MY) Chevrolet Silverado Pickups verfügen über eine neue strukturelle Anwendung für Verbundwerkstoffe an einer verborgenen, aber sehr effektiven Position: links und rechts vorne hinter dem Stahlstoßfänger. Die hybride thermoplastische Verbundwerkstoff/Metall-Halterung reduziert Masse, erreicht gleichwertige oder bessere Leistung in Modal-, Spannungs-, Ermüdungs- und Crashtests bei begrenztem Bauraum, reduziert Korrosions- und Garantierisiken und ermöglicht signifikante Teilekonsolidierung. Alle Fotos: General Motors Co.

Es ist nicht einfach, OEM-Designingenieur an Vollgrößen-Pickup-Programmen zu arbeiten. Einerseits möchte man diese Fahrzeuge so sicher, funktionsreich und kraftstoffeffizient wie möglich machen. Andererseits fordern die Kunden – insbesondere in Bau- und Landwirtschaft – ihre Fahrzeuge täglich hart und haben bestimmte Vorstellungen davon, was ein langlebiges Material ist und was nicht. Sie kennen und vertrauen Stahl. Verbundwerkstoffe? Vielleicht nicht so sehr.

Als Chris Heo, leitender Design-Freigabeingenieur für Vollgrößen-Pickups bei General Motors Co. (GM, Detroit, Michigan, USA), und sein Team mit der Arbeit an der neuesten Generation der Chevrolet Silverado Pickups begannen, diskutierten sie, welche Anwendungen sie von Metall auf Verbundwerkstoffe umstellen könnten, um die Fahrzeugmasse zu reduzieren.

Für das Modelljahr 2019 war die Entscheidung bereits gefallen, gestaltete Stoßfänger-Aufprallbalken – gestanzte Stahlstoßfänger mit gestalteten A-Seiten-Oberflächen und -Finishes (entweder Chrombeschichtung oder Wagenfarbe-Lackierung) – an Fahrzeugfront und -heck beizubehalten. Aufgrund der designgetriebenen Form und der Masse der Stahlschalen benötigen solche Stoßfänger typischerweise einen oder mehrere Stahlverstärkungshalter, um den Stoßfänger mit dem Fahrzeugrahmen zu verbinden und GMs Stoßfänger-Haltbarkeit, Fahrzeugbeschädigbarkeit, Crash-Performance und Verpackungsanforderungen zu erfüllen. In diesem Fall umschloss ein Paar Halter die linken und rechten Ecken des Stoßfängers. Die Teammitglieder fragten sich, ob sie diese schweren, komplexen, mehrteiligen Stanzteile in etwas Leichteres umwandeln könnten, ohne Leistung oder Haltbarkeit zu opfern.

„Wir diskutierten Wege, wie wir die Metallhaut des Stoßfängers beibehalten, aber verborgene Komponenten in Leichtbaumaterialien umwandeln könnten“, erinnert sich Heo. „Wir wussten, dass dies eine Herausforderung wäre, weil man robuste Halter braucht, um ein schweres Teil wie einen Stoßfänger zu halten, und sowohl Stoßfänger als auch Halter müssen über die Lebensdauer des Fahrzeugs funktionieren. Auch sind diese Halter entscheidend für das Bestehen anspruchsvoller Versatzbarriere-Crashtests und – sogar in Metallen – sind das anspruchsvolle Tests, die zu bestehen sind.“

 

Erster Versuch

Unbeeindruckt von der Herausforderung machte sich das GM-Team an die Arbeit und holte bald den designated Stoßfängerlieferanten des Fahrzeugs, Flex-N-Gate Corp. (FNG, Urbana, Illinois, USA), ins Boot. Zunächst, da das Außendesign des Fahrzeugs noch finalisiert wurde, verbrachte das gemeinsame Team ein Jahr damit, Optionen in der Industrie zu recherchieren und Ansätze zu diskutieren, die funktionieren könnten. „Wir warteten auf den richtigen Zeitpunkt, weil je nach finalem Styling das Design, das wir nutzten, und der Ansatz, den wir verfolgten, sich ändern könnten“, erklärt Heo.

„Wir wussten, dass ein anderes Unternehmen eine sehr kleine Halterung – eine, die nicht strukturell war – auf einem ihrer LKW-Stoßfänger auf Verbundwerkstoff umgestellt hatte, was uns einen Ausgangspunkt gab“, fügt Steve Perucca, FNG Engineering Group Manager – R&D Kunststoffe/Metalle, hinzu. FNG hatte bereits viel Erfahrung in der Umwandlung struktureller Metallteile in thermoplastische Verbundwerkstoffe bei Pkw, was dem Team das Vertrauen gab, voranzuschreiten.

 

Designüberlegungen

Als das Außendesign beim Pickup feststand, begann das kombinierte Team seine eigene Designarbeit an den Halterungen mit einer Liste von Wünschen und Bedürfnissen. Die Benchmark-Halterungen waren aus hochfestem/niedriglegiertem (HSLA) Stahl gestanzt, ausgewählt wegen seiner höheren mechanischen Eigenschaften und verbesserter Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kohlenstoffstahl. Die Halterungen hatten eine Nennstärke von 3 Millimetern und wogen jeweils 4,362 Kilogramm. Erstens mussten die Verbundwerkstoffhalterungen in etwa demselben Bauraum passen, der hinter dem Stoßfänger begrenzt war. Daher war ein Material mit ausreichender Festigkeit nötig, damit die Bauteilstärke nicht signifikant anstieg.

Zweitens umschließen vordere Stoßfänger typischerweise die vorderen Fahrzeugecken, um die vom Designstudio gewünschten Styling-Cues zu erreichen. Da sie jedoch durch die steifen Stahlhalterungen am Rahmen gehalten werden, kann der Stoßfänger bei Hochgeschwindigkeits-Crashevents nach innen in das Rad gedrückt werden, was die Radausrichtung negativ beeinflusst und die Lenkung blockiert. Um das Rad auf der Aufprallseite so lange wie möglich zu schützen, ist es wünschenswert, dass Stoßfängerhalterungen beim Aufprall abbrechen. Andererseits muss der Stoßfänger während normaler Nutzung über die Lebensdauer des Fahrzeugs befestigt bleiben, um Garantieprobleme zu vermeiden. Daher musste das Team ermitteln, wie diese konkurrierenden Bedürfnisse ausbalanciert werden können.

Ein weiteres Problem, das das Team angehen wollte, war, dass aufgrund von Stahls Umformbarkeitsgrenzen Benchmark-Halterungen nicht so geformt werden konnten, dass sie die Nebelscheinwerfer des Fahrzeugs halten, was den Einsatz eines weiteren Paares schwerer Metallhalterungen erforderlich machte. Wenn möglich, wollte das Team die Nebelscheinwerferhalterung in die Verbundwerkstoffhalterung konsolidieren.

Zudem war es wichtig, einen Kabelbaum-Einklemmpunkt zu vermeiden, wenn dieser durch die Halterung führt, um Kabelbäume und Drähte vor Scheuern und Brechen zu schützen, was zu Kurzschlüssen wichtiger Funktionen wie Scheinwerfer und Lüfter führen würde. Die Vermeidung dieser durch Bereitstellung eines Lochs in den Metallhalterungen, durch das Drähte geführt werden konnten, führte zu einem zusätzlichen Stanzvorgang, der aufgrund von Designfreiheitsbeschränkungen weitere Werkzeugkosten verursachte. Daher war es wünschenswert, dieses Problem in der Verbundwerkstoffhalterung anzugehen. Natürlich war es auch wichtig, Änderungen in der Fahrzeugmontage für die Verwendung von Verbundwerkstoffhalterungen zu vermeiden. Und wie oft bei Automobilanwendungen wären die Verbundwerkstoffhalterungen idealerweise leichter und günstiger als die metallischen Benchmarks. Eine letzte Sorge war, ob aktuell verfügbare CAE-Modelle die Hochzyklus-Ermüdung/Haltbarkeit in einem diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplast genau vorhersagen könnten.

 

Hybrider Ansatz

Mit ihrer Wunschliste in der Hand wurde das Team aktiv. Eine frühe Entscheidung war die Materialauswahl – nämlich eines, mit dem FNG bereits Erfahrung hatte und das GM-Freigaben hatte. Sie wählten ein schwarzes 40 % Fasergewichtsanteil (FWF) Langfaser-Glas-Polypropylen (LFT-PP) von Lotte Chemical (Seoul, Südkorea) namens Supran PP1340 GMW15890P. Da Halterungen nicht dem Sonnenlicht ausgesetzt sind und ausreichend weit von der Motorwärme entfernt sind, würde der zähe Olefin-Polymer ausreichende thermische Leistung bieten. Der hochfließende, spritzgussgeeignete Grad hatte einen Schmelzflussindex (MFI) von 40, was gutes Füllen komplexer Geometrien ohne zusätzliche Angüsse sicherstellt; zusätzliche Angüsse erzeugen Nahtlinien, die schwächer sind als das umgebende Material und in einem strukturellen Teil, besonders einem, das Crashtests bestehen muss, vermieden werden sollten.

Um die konkurrierenden Bedürfnisse von langfristiger Haltbarkeit und hoher Crash-Performance auszugleichen, wählte das Team einen hybriden Ansatz und teilte die Halterung. Der Teil, der Stoßfänger mit Rahmen verbindet, blieb HSLA-Stahl, aber der äußere Teil wurde auf Verbundwerkstoff umgestellt. Dieser Ansatz ermöglichte größere Designfreiheit zur Teilekonsolidierung, Massenreduzierung und Integration der Nebelscheinwerfer, aber der Verbundwerkstoffteil wurde so ausgelegt, dass er bei einem seitlichen Hochgeschwindigkeitsaufprall abreißt, um sicherzustellen, dass die Radausrichtung so lange wie möglich longitudinal bleibt, um die Lenkfähigkeit zu erhalten. Um alle GM-Anforderungen zu erfüllen, wurden einige Metalleinsätze auf der Verbundwerkstoffseite der Halterung hinzugefügt, zusammen mit drei Buchsen, die eine Justierung während der Montage ermöglichen. Designer stellten fest, dass das Material keine Probleme hatte, das Bein der Halterung (die gekrümmten Endstücke im Verbundwerkstoff/braunen CAE-Design) zu verlängern, um den Nebelscheinwerfer zu umfassen, was die Notwendigkeit einer separaten Halterung an dieser Stelle beseitigte (Abb. 1).

Als das Projekt voranschritt und physische Teile produziert und getestet wurden, war das Team erfreut zu erfahren, dass ihre CAE-Modelle ziemlich genau waren. „Zunächst fragten wir uns, ob wir das Teil richtig simulieren könnten, da wir versuchten, Hochzyklus-Ermüdung in Bezug auf Haltbarkeit und hohe G-Belastung in der Crash-Modellierung vorherzusagen“, bemerkt Heo. „Überraschenderweise war die Korrelation zwischen vorhergesagten und gemessenen Ergebnissen aus Schwingungstests eng, sogar im Crash.“ Das finale Halterungsdesign wurde in weniger als sechs Monaten abgeschlossen. Es misst ca. 41 x 46 Zentimeter, hat eine Nennwandstärke von 3 Millimetern und verfügt über Rippen für höhere mechanische Eigenschaften.

Werkzeuge wurden von Integrity Tool & Mold Inc. (Oldcastle, Ontario, Kanada) gefertigt und umfassten ein gut belüftetes 2+2-Stack-Formwerkzeug mit zwei Kavitäten/Platte und zwei direkten Angüssen (Kaltkanäle) mit sequentieller Ventilsteuerung, das vier Teile/Zyklus produziert, bedingt durch das hohe Bauvolumen der Silverado-Plattform. FNGs Ventra Evart Division ist der Verarbeiter. Tasten-zu-Tasten-Zykluszeit beträgt 60 Sekunden.

 

Signifikante Erfolge

Bei seinem ersten kommerziellen Einsatz brachte GMs hybrider Ansatz bei der strukturellen Stoßfängerhalterung (Abb. 2) zahlreiche Vorteile. Erstens erreichte es gleichwertige oder überlegene Leistung in Modal-, Spannungs-, Ermüdungs- und Crashtests (siehe Tabelle unten).

 Design 

 10 Gx

 20 Gx

1^st Mode Frequency (Hz)

Maximum Displacement (mm)

Maximum Stress (MPa)

Maximum Displacement (mm) 

Maximum Stress (MPa) 

 Hybrid Stahl/Verbundwerkstoff-Halterung

 2,00

213

3,97

381

31,7

Benchmark Ganzstahl-Halterung

 2,36

259

4,45

480

30,1

Nicht nur reduzierte die hybride Verbundwerkstoffhalterung mit Metalleinsätzen die Masse, sondern ihre maßgeschneiderte Geometrie verbesserte sowohl Spannungs- als auch Modalperformance.

Zweitens ermöglichte die Designfreiheit von Verbundwerkstoffen aggressiveres Styling in einem relativ kleinen Bauraum. Drittens wurde die Masse des Paares hybrider Halterungen um 2,5 kg/Fahrzeug gegenüber dem Benchmark reduziert. Und dank Masse-Entkopplungseffekten ermöglichten leichtere Stoßfängerecken eine Wandstärkenreduzierung an der Stoßfänger-Montagehalterung sowie anderen Komponenten, sodass die Gesamtmasse des vorderen Stoßfängersystems um 7,3 kg gegenüber dem abgehenden 2016er Modell reduziert wurde.

Zusätzlich wurden Korrosionsrisiko und Garantiekosten reduziert, da die Verbundwerkstoffhalterung nicht rostet. Massenreduktionsvorteile kommen Verbrauchern durch verbesserte Kraftstoffwirtschaft oder die Möglichkeit, eine höhere Nutzlast zu transportieren, ohne gesetzliche Straßenlastgrenzen zu überschreiten, zugute.

Auf Stückpreisbasis war die hybride Halterung kostenneutral, bedingt durch die zusätzlichen Kosten des Spritzgusswerkzeugs. Auf Systemkostenbasis gab es Einsparungen durch die Möglichkeit, zusätzliche Komponenten zu downgaugen, obwohl tatsächliche Einsparungen schwer zu quantifizieren sind. Die Halterung ist seit über drei Jahren in Produktion ohne Probleme.

Für die nächste Silverado-Generation plant Heos Team, weiterhin hybride Halterungen am vorderen Stoßfänger zu verwenden, aber er hat Teammitglieder bereits herausgefordert, darüber nachzudenken, wie man einen hybriden Ansatz bei hinteren Stoßfängerhalterungen anwenden kann. Das ist dadurch verkompliziert, dass hintere Stoßfänger Stufenhilfen an den Ecken enthalten, um Menschen das Ein- und Aussteigen in die Ladefläche einfacher und sicherer zu machen. Zudem sind mehr Komponenten (wie Einparkwarnsensoren) hinter der Stahlhaut verbaut, was den Bauraum reduziert.

„Wir werden einen smarten Engineering-Ansatz beibehalten, Probleme zu betrachten, herauszufinden, wie Produkte genutzt werden und was ihre funktionalen Anforderungen sind, und dann die Grenzen zu verschieben“, schließt Heo.