GMs CarbonPro Composite-Ladefläche revolutioniert moderne Pickups

Herausforderung auf ganzer Linie

Auf die Frage nach der größten Herausforderung bei der CarbonPro-Kohlenstofffaser-verstärkten thermoplastischen (CFRTP) Composite-Ladefläche, die 2019 bei den Kurzheck-(Crew-Cab-)Modellen GMC Sierra AT4 (Offroad) und Sierra Denali Halbtonner debütierte, lacht Mark Voss, Engineering Group Manager für fortschrittliche Strukturverbundwerkstoffe und Pickup-Ladeflächen bei General Motors (GM, Detroit, Michigan, USA). „Der allergrößte herausfordernde Teil?“, fragt er. „Jeder Teil dieses Projekts war herausfordernd. Alles war neu: neue Designkriterien, neue Aufprall- und Heckbarriere-Spezifikationen, dazu ein neues Material und Verfahren. Jeder Teil des Designprozesses war an dem einen oder anderen Punkt eine Herausforderung. Doch die Ergebnisse sprechen für sich: Die CarbonPro-Ladefläche ist eine bahnbrechende Umsetzung.“

Teamansatz

Voss, der zuvor an Composite-Anwendungen für die Corvette arbeitete, kennt Innovation und wie man Management für Neues gewinnt. Ab 2011 war er in initiale Verhandlungen und spätere Joint-Development-Arbeiten mit Teijin Ltd. (Tokio, Japan) eingebunden, um Automobilanwendungen für Teijins neu entwickelte Sereebo CFRTP-Plattenverbundwerkstoffe zu kommerzialisieren (siehe „Sereebo CFRTP sheets: ‚Saving the Earth‘“). Drei Jahre von dem, was Voss „Lernzyklen“ nennt – Versuche und Evaluierungen durchführen, Probleme finden und lösen, dann weitere Versuche – folgten, bevor das Team fühlte, das Materialverhalten und Einsatzgebiete zu verstehen. Dann suchten sie nach Anwendung und Plattform für Sereebos Automobildebüt. 2015 identifizierten sie die Pickup-Ladefläche des Modelljahrs 2019 Sierra Denali als ideal.

Mehrere Faktoren führten zur Entscheidung. Erstens Skaleneffekte, da Light-Duty-Trucks (Pickups und SUVs) das am schnellsten wachsende, profitabelste Pkw-Segment in Nordamerika darstellen. Zweitens nutzen Trucks Leiterrahmenbauweise statt Monocoque, sodass die Ladefläche nicht integraler Teil der Rohkarosserie ist und nicht die thermische Performance für die E-Coat-Kathodische Tauchlackierung am Fahrzeuganfang überstehen muss. Drittens sitzt die Ladefläche außerhalb des Fahrgastraums, sodass Aufpralltests und Lastfälle weniger streng sind als für die Kabinenstruktur – ein weniger risikoreicher Ort für neues Material und Verfahren. Viertens nehmen GMC-Kunden generell Technologie an, die sowohl High-Tech als auch luxuriös ist, und werden die geplanten Unique-Features begrüßen.

Voss beschreibt einen „echten Teamansatz“ bei Material- und Prozessentwicklung für die CarbonPro. Das Team umfasste GM, Teijin und Molder Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan, USA), das 2015 hinzukam, um den von GM und Teijin co-entwickelten Prozess zu kommerzialisieren und die CarbonPro-Ladefläche zu produzieren. CSP, 2017 von Teijin übernommen, hat langjährige Erfahrung mit anderen Composite-Pickup-Ladeflächen aus Sheet Molding Compound (SMC).

Technologieentwicklung

Sereebo ist ein plattenförmiger Verbundwerkstoff mit Polyamid-6-(PA6)-Matrix, verstärkt mit diskontinuierlichen/geschnittenen Kohlenstofffasern (25 mm, 24K Tows). Das Faserbett wird als sehr gut verteilt beschrieben, was dem Material je nach Formgebung isotrope Eigenschaften verleiht.

Die thermoplastische Matrix bietet viele Vorteile. Erstens formen Thermoplaste, da sie vorpolymerisiert geliefert werden, viel schneller als Duroplaste, die im Werkzeug polymerisieren und vernetzen. Der Nachteil vorpolymerisierter Polymere: Molekülketten sind länger, steifer und stärker verknäult, was gute Faserbenetzung erschwert. Daher ist der Faser-Volumenanteil tendenziell niedriger als bei Duroplasten. Zweitens haben Thermoplaste tendenziell geringere Dichte als Duroplaste, was Leichtbau-Chancen bietet. Am wichtigsten: Thermoplaste erzeugen deutlich bessere Oberflächen direkt aus dem Werkzeug, wodurch der erhebliche Nachbearbeitungsaufwand – wie Schleifen und Lackieren – entfällt, der bei Duroplast-Verbundwerkstoffen oft nötig ist. Zudem erweitert ein „zäher“ Polymer wie PA6 die thermische Performance und erhöht die Schadenstoleranz im Vergleich zu Polypropylen, der häufigsten Matrix für thermoplastische Verbundwerkstoffe im Automobilbau. Ein weiterer Vorteil: Thermoplast-Abfall/Verschnitt lässt sich leicht recyceln (Schmelz-Wiederaufbereitung) durch Mahlen und Einbringen in einen anderen Materialstrom mit demselben Harzsystem – obwohl dies die Faserverstärkung verkürzt.

Natürlich liefert Kohlenstofffaser höhere Steifigkeit und Festigkeit als Glasfaser bei geringerem Gewicht und dünneren Wandstärken – bei kleiner Einbuße bei Schlagfestigkeit, die durch Harzauswahl verbessert werden kann. Schwerere Tows sind günstiger als feine Luftfahrt-Qualitäten und in der Automobilindustrie üblich, wo Steifigkeit meist der limitierende Faktor im Design ist, nicht die Zugfestigkeit. Durch geschnittene statt kontinuierliche Faserverstärkung sinkt die Höchstfestigkeit, bleibt aber für Automobilanwendungen mehr als ausreichend und kann durch dickere Wandungen oder Geometrie (z. B. Rippen) oder beides verbessert werden. Berichten zufolge wird ein einzelner Sereebo-Grad in zwei Dicken für die meisten Ladeflächenkomponenten verwendet.

Hybrides Formen

Obwohl Sereebo nach Vorheizen und Einlegen in das Werkzeug fließt, wird es nicht wie herkömmliches Glass-Mat-Thermoplast (GMT), Direct-Long-Fiber-Thermoplast (D-LFT) oder SMC fließgeformt, um seine natürliche Isotropie zu erhalten. Stattdessen kommt ein interessantes hybrides Formverfahren zum Einsatz. Es kombiniert einen innovativen Vorformschritt mittels robotergebundenem Vorformwerkzeug (RMPD) mit anschließender Pressformung bei „konventionellen Drücken“. Das RMPD wird als komplexes Endeffektor-Werkzeug beschrieben, das für jedes zu formende Teil einzigartig ist. Teile werden größer als nötig geformt – dann nach dem Formen auf Endmaß getrimmt.

„Sereebos isotrope Eigenschaften sind ihr Gewicht in Gold wert, daher schufen wir einen Prozess, der diese Materialeigenschaften erhält“, so Voss. „Dennoch erreichen wir Ziehtiefen von 14 bis 16 Zoll [36 bis 41 Zentimeter] an den Seitenwänden in strukturellen Materialien.“

„Das Sereebo-Material formt sich wie GMT und D-LFT“, erklärt Steve Pelczarski, CSP Engineering Director für Programm- und Produktentwicklung. „Wir halten den Fließwiderstand jedoch bewusst niedrig, indem wir die Blank-Temperatur beim Vorheizen begrenzen – eine Wahl, die sowohl Harz als auch UV-Stabilisator schützt – und das Blech direkt vor dem Formen über der Presse vorformen. Die Ziehtiefe und die in Sereebo erzeugbaren Features sind endlos, solange man die Form vor dem Einbringen in das Werkzeug vorformt.“

Die vier größten CarbonPro-Teile – Stirnwand, rechte und linke Seitenwand sowie Plattform/Boden – werden auf einer neuen 3.600-Tonnen-Dieffenbacher-Presse mit schnellem (5-Sekunden-) Öffnen/Schließen geformt (siehe „CarbonPro box: New forming process“) in CSPs Werk in Huntington, Indiana, USA, 30 Minuten von GMs Fort Wayne Assembly Plant (Roanoke, Indiana) entfernt, wo 2019 Chevrolet Silverado und GMC Sierra Pickups montiert werden. Mehrere kleinere CarbonPro-Teile – aus jungfräulichem Sereebo sowie teils recyceltem LFT (gemahlener Sereebo-Verschnitt plus etwas jungfräuliches PA6 für besseren Fließ) – werden auf einer kleineren 1.200-Tonnen-Presse in der Nähe pressgeformt. Drei Teilverklebungsschritte verbinden Querträger, Radhäuser und Seitenwandmodule, dann werden diese Unterbaugruppen in einem finalen Hauptverklebungsschritt zur endgültigen Ladeflächenmontage zusammengefügt. Durchgängig wird ein zweikomponentiger Polyurethan-Strukturklebstoff (Pliogrip 8500 von Ashland LLC, Columbus, Ohio, USA) verwendet.

„Wir erreichen 75 % Eigenschaftserhalt im recycelten Sereebo für linke und rechte Stake Pockets“, fügt Voss hinzu. „Das ist ein großer Win-Win, da es den Business Case unterstützt und den Prozess nachhaltiger macht.“ Je nach Feldperformance der Post-Industrial-Recyclate (PIR) Teile planen GM und CSP, 100 % des Sereebo-Verschnitts anderswo im Fahrzeug wiederzuverwenden, was den Prozess abfallfrei machen würde.

CSP produziert zudem pressgeformte Heckklappenabdeckungen aus Glasfaser/PP D-LFT, spritzgegossene Radhausbaugruppen und Frontfüllerpaneele aus Glasfaser/PA6, Mini-Schwellen aus glasfaserverstärkten Epoxid-Pultrusionen und drei der vier Querträger der Ladefläche aus Sereebo.

Kundenorientierte Features

Die CarbonPro-Ladefläche beinhaltet spezielle Features, die Fahrzeug und Laderaum aufwerten (siehe „Discriminating features“). Erstens ist die Ladefläche extrem aufprallfest (siehe Video unten), ein enormer funktionaler Vorteil, der den Bedarf an einer Ladeflächenmatte eliminiert. Sie rostet nicht, beult nicht aus, und der im Material eingefärbte (MIC) schwarze Verbundwerkstoff benötigt keine Lackierung oder Beschichtung zum Schutz vor Kratzern und Witterung.

Zweitens floss viel Arbeit in das Design der wellenförmigen Bodenstruktur. Eine leichte Textur in den Tälern lässt Schmutz und Dreck leicht abwaschen, während eine „griffige“ aggressive Textur auf den Wellen für gute Stabilität sorgt, auch bei nassem oder staubigem Boden. Spezielle Motorradtaschen in der Stirnwand und angeklebte Zurrpunkte (je 227 kg Belastbarkeit) erlauben die Sicherung von zwei Dirtbikes links und rechts oder einer Harley-Davidson „Fat Boy“ mittig vorne. Zusätzliche Zurrpunkte sind strategisch verteilt, um verschiedene Lasten zu stabilisieren. Integrierte Leuchten beleuchten den Laderaum rund um Kotflügelverbreiterungen und Heckklappe (entweder Standard oder sechspositionige Multipro – siehe „Discriminating features“).

Die Composite-Ladefläche spielt eine wichtige Rolle in der Sierra-Mixed-Materials-Konstruktion (Kombination aus Aluminium, hochfestem und rollgeformtem Stahl sowie Composite und Kunststoff), die 163 kg gegenüber dem Vorgängermodell einspart.