Gehackte Kohlefaser, Polyamid und Innovation definieren die moderne Ladefläche eines Pickups neu

Auf die Frage nach dem schwierigsten Aspekt der CarbonPro-Pickup-Box aus kohlenstofffaserverstärktem Thermoplast (CFRTP), die 2019 auf dem Kurzbett (Crew-Kabine) GMC Sierra AT4 . debütierte (Offroad) und Sierra Denali Halbtonnen-Pickups, Mark Voss, Engineering Group Manager für fortschrittliche Strukturverbundwerkstoffe und Pickup-Boxen bei General Motors Co. (GM, Detroit, Michigan, USA), lacht. „Die meisten anspruchsvoller Teil?“ er fragt. „Jeder Teil dieses Projekts war eine Herausforderung. Alles war neu:Wir hatten neue Designkriterien, neue Leistungsspezifikationen für Aufprall und hintere Barriere sowie ein neues Material und einen neuen Prozess. Jeder Teil des Designprozesses war irgendwann eine Herausforderung. Die Ergebnisse sprechen jedoch für sich:Die CarbonPro-Box ist eine bahnbrechende Ausführung.“

Teamansatz

Voss, der zuvor an Verbundanwendungen für Corvette gearbeitet hat, weiß ein oder zwei Dinge über Innovation und überredet das Management, neue Dinge auszuprobieren. Ab 2011 war er an ersten Verhandlungen und späteren gemeinsamen Entwicklungsarbeiten mit Teijin Ltd. (Tokio, Japan) beteiligt, um Automobilanwendungen für Teijins damals neu entwickelten Sereebo CFRTP-Plattenverbund zu kommerzialisieren (siehe „Sereebo CFRTP-Platten:'Saving the Earth' “). Es folgten drei Jahre, die Voss als „Lernzyklen“ bezeichnet – Durchführung von Versuchen und Bewertungen, Auffinden und Behandeln von Problemen, dann Durchführung weiterer Versuche und Bewertungen – bevor die Teammitglieder das Gefühl hatten, verstanden zu haben, wie sich das Material verhalten und wo es zu verwenden ist. Zu diesem Zeitpunkt begannen sie, nach einer Anwendung und einer Plattform für das Debüt von Sereebo in der Automobilindustrie zu suchen. Bis 2015 hatten sie die Pickup-Box des Modelljahres 2019 identifiziert Sierra Denali als ideal.

Es gab eine Reihe von Faktoren, die zu der Entscheidung geführt haben. Da war zunächst der Skaleneffekt, da leichte Lkw (Pickups und Sport Utility Vehicles) das am schnellsten wachsende und profitabelste Pkw-Segment in Nordamerika darstellen. Zweitens ist die Box nicht integraler Bestandteil der Rohkarosserie, da Lastwagen eine Karosserie-auf-Rahmen-Konstruktion anstelle einer Monocoque-Konstruktion verwenden Komponenten zu Beginn des Fahrzeugbaus. Drittens, da die Box außerhalb des Fahrgastraums sitzt, wären Aufpralltests und Lastfälle weniger streng als diejenigen für die Kabinenstruktur selbst, was es zu einem weniger riskanten Ort macht, um ein neues Material und Verfahren auszuprobieren. Da die Kunden von GMC im Allgemeinen sowohl Hightech- als auch luxuriöse Technologien bevorzugen, wird von ihnen erwartet, dass sie alle einzigartigen Funktionen begrüßen, die das Team plante.

Voss beschreibt einen „echten Teamansatz“ bei der Material- und Prozessentwicklung, die zur Verwirklichung des CarbonPro führte. Zu diesem Team gehörten GM, Teijin und der Spritzgießer Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan, USA), der sich 2015 den Bemühungen anschloss, den von GM und Teijin gemeinsam entwickelten Prozess zu kommerzialisieren und die CarbonPro-Box herzustellen. CSP, das 2017 von Teijin gekauft wurde, hat eine lange Tradition in der Herstellung anderer Composite-Pickup-Boxen aus Sheet Moulding Compound (SMC).

Weiterentwicklung der Technologie

Sereebo ist ein blattförmiger Verbundwerkstoff mit einer Polyamid 6 (PA6)-Matrix, die mit diskontinuierlicher/gehackter Kohlefaser (25 Millimeter, 24K Tow) verstärkt ist. Das Faserbett wurde als sehr gut verteilt beschrieben, was dem Material je nach Formgebung isotrope Eigenschaften verleiht.

Die thermoplastische Matrix bietet viele Vorteile. Erstens formen sich Thermoplaste viel schneller als Duroplaste, die im Werkzeug polymerisieren und vernetzen, da sie vorpolymerisiert geliefert werden. Der Nachteil vorpolymerisierter Polymere besteht jedoch darin, dass die Molekülketten länger, steifer und verwickelter sind, sodass es schwieriger ist, eine gute Faserbenetzung zu erzielen. Daher ist der Faservolumenanteil tendenziell geringer als bei Duroplasten. Zweitens haben Thermoplaste tendenziell auch eine geringere Dichte als Duroplaste, was zu Möglichkeiten des Leichtbaus beiträgt. Am wichtigsten ist, dass Thermoplaste weitaus bessere Oberflächen aus dem Werkzeug heraus erzeugen und die erhebliche Nachbearbeitung – wie Schleifen und Lackieren – die bei duroplastischen Verbundwerkstoffen oft erforderlich ist, eliminieren. Darüber hinaus verlängert ein „zähes“ Polymer wie PA6 die Wärmeleistung und erhöht die Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschädigungen im Vergleich zu  Polypropylen, der am häufigsten verwendeten Matrix für thermoplastische Verbundwerkstoffe in der Automobilindustrie. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass thermoplastische Abfälle/Abfälle leicht recycelt (schmelze wiederaufbereitet) werden, indem das Material gemahlen und in einen anderen Feedstream mit dem gleichen Harzsystem gegeben wird – obwohl dies die Faserverstärkungen verkürzt.

Natürlich trägt Kohlefaser zu einer höheren Steifigkeit und Festigkeit als Glasfaser bei, bei geringerem Gewicht und dünneren Wandabschnitten – wenn auch mit einem kleinen Einbußen bei der Schlagzähigkeit, die durch die Auswahl des Harzes verbessert werden kann. Schwerere Kabel sind günstiger als feinere Luft- und Raumfahrtqualitäten und werden häufig in der Automobilindustrie verwendet, wo der Modul in der Regel eher der begrenzende Faktor bei der Konstruktion als die Endfestigkeit ist. Durch die Verwendung von Schnitt- statt Endlosfaserverstärkung wird die Endfestigkeit reduziert, bleibt aber für Automobilanwendungen mehr als ausreichend und kann durch dickere Abschnitte oder durch Hinzufügen von Geometrie (z. B. Rippen) oder beidem verbessert werden. Angeblich wird eine einzige Sorte Sereebo in zwei Stärken verwendet, um die meisten Komponenten der Pickup-Box zu formen.

Hybridbildung

Obwohl Sereebo nach dem Vorwärmen und Einlegen in ein Werkzeug fließt, um seine natürliche Isotropie beizubehalten, formt das Team es nicht wie herkömmliches Glasmatten-Thermoplast (GMT), Direkt-Langfaser-Thermoplast (D-LFT) oder SMC . Vielmehr wird ein interessantes Hybridumformverfahren verwendet. Es kombiniert einen innovativen Vorformschritt, der mit einer robotermontierten Vorformvorrichtung (RMPD) durchgeführt wird, gefolgt von einem Formpressen bei „konventionellen Drücken“. Das RMPD wird als kompliziertes End-of-Arm-Tooling beschrieben, das für jedes zu spritzende Teil einzigartig ist. Die Teile werden größer als nötig geformt – und nach dem Formen auf die endgültige Größe zugeschnitten.

„Die isotropen Eigenschaften von Sereebo sind Gold wert, daher haben wir einen Prozess entwickelt, um diese Materialeigenschaften beizubehalten“, bemerkt Voss. „Dennoch erreichen wir an den Seitenwänden in strukturell eine Ziehtiefe von 36 bis 41 Zentimetern. Materialien“, fügt er hinzu.

„Das Sereebo-Material lässt sich wie GMT und D-LFT formen“, erklärt Steve Pelczarski, CSP Engineering Director für Programm- und Produktentwicklung. „Wir halten den Durchfluss jedoch bewusst niedrig, indem wir die Platinentemperatur während des Vorwärmens begrenzen – eine Wahl, die sowohl Harz als auch UV-Stabilisator schützt – und indem wir die Platte kurz vor der Umformung über die Presse vorformen. Die Zeichnungstiefe und die Funktionen, die Sie in Sereebo herstellen können, sind endlos, solange Sie die Form vorformen, bevor Sie das Material dem Werkzeug präsentieren.“

Die vier größten CarbonPro-Teile – das Kopfteil, die rechte und linke Seitenwand sowie die Plattform/der Boden – werden auf einer neuen 3.600-Tonnen-Dieffenbacher-Presse mit einer schnellen (5-Sekunden ) Öffnen/Schließen-Zyklus (siehe „CarbonPro-Box:Neuer Umformprozess“) im CSP-Werk Huntington, Ind., USA, 30 Minuten von GMs Montagewerk Fort Wayne (Roanoke, Ind., USA) entfernt, wo 2019 Chevrolet Silverado und GMC Sierra Pickups werden zusammengebaut. Mehrere kleinere CarbonPro-Teile – sowohl in Sereebo-Neuware als auch in einigen recycelten LFT (unter Verwendung von gemahlenem Sereebo-Schrott und etwas frischem PA6 zur Verbesserung des Flusses) – werden in der Nähe auf einer kleineren 1.200-Tonnen-Presse formgepresst. In drei Unterbindungsschritten werden Fahrzeugquerschweller, Radkästen und Seitenwandmodule miteinander verbunden, dann werden diese Unterbaugruppen in einem abschließenden Hauptkasten-Bindungsschritt zusammengeführt, wo die endgültige Kastenmontage erfolgt. Durchgängig wird ein Zweikomponenten-Urethan-Strukturklebstoff (Pliogrip 8500 von Ashland LLC, Columbus, Ohio, USA) verwendet.

„Wir erhalten 75 Prozent Eigentumserhalt im recycelten Sereebo für linke und rechte Pfahltaschen“, fügt Voss hinzu. „Dies ist eine große Win-Win-Situation, denn es hilft bei unserem Business Case und macht den Prozess nachhaltiger.“ Je nachdem, wie sich die postindustriellen Rezyklat (PIR)-Teile im Feld schlagen, planen GM und CSP, 100 Prozent des Sereebo-Schrotts an anderer Stelle im Fahrzeug wiederzuverwenden, wodurch das neue Verfahren abfallfrei wäre.

CSP produziert auch formgepresste Endtorabdeckungen aus Glasfaser/PP D-LFT, spritzgegossene Radkastenbaugruppen und vordere Füllplatten aus Glasfaser/PA6, Minischweller aus glasfaserverstärktem Epoxid-Pultrusionsmaterial und drei der Die vier Querschweller der Box in Sereebo.

Kundenorientierte Funktionen

Die CarbonPro-Box beinhaltet auch spezielle Features, die das Fahrzeug und seinen Laderaum aufwerten (siehe „Diskriminierende Merkmale“). Erstens hat sich die Box als unglaublich schlagfest erwiesen (siehe Video unten ), was ein großer funktionaler Vorteil ist, der eine Betteinlage überflüssig macht. Es wird nicht nur nicht rosten oder verbeulen, sondern das in Farbe geformte (MIC) schwarze Verbundmaterial benötigt weder Farbe noch Beschichtungen, um es vor Kratzern und Witterungseinflüssen zu schützen.

Zweitens wurde viel Arbeit in die Gestaltung der Wellbodenstruktur gesteckt. In den Mulden wird eine leichte Textur verwendet, damit Schmutz und Dreck leicht weggespült werden können, während eine „griffige“ aggressive Textur in die Kämme eingeformt ist, um eine gute Stabilität zu gewährleisten, selbst wenn das Bett nass oder staubig ist. Spezielle Motorradtaschen im Kopfteil und geklebte Verzurrösen (jeweils 227 Kilogramm belastbar) ermöglichen es Kunden, zwei Dirtbikes links und rechts oder ein Harley-Davidson „Fat Boy“-Motorrad vorne in der Mitte der Box zu sichern . Zusätzliche Verzurrungen sind strategisch verteilt, um verschiedene Lasten zu stabilisieren. Integrierte Lichter beleuchten den Kofferraum um die Kotflügelverbreiterungen und die Heckklappe (entweder Standard- oder Sechs-Positionen-Multipro – siehe „Unterscheidungsmerkmale“).

Die Verbundbox spielt eine wichtige Rolle in der Sierra Mischbauweise (Kombination aus Aluminium, hochfestem und rollgeformtem Stahl sowie Verbundwerkstoff und Kunststoff), eine Kombination, die gegenüber dem Vorgängermodell 163 Kilogramm einspart.