Fibra de carbono picada, poliamida e inovação redefinem a caçamba da picape moderna

Quando questionado sobre o aspecto mais desafiador da caixa coletora de composto termoplástico reforçado com fibra de carbono (CFRTP) CarbonPro, que estreou em 2019 com cama curta (cabine dupla) GMC Sierra AT4 (off-road) e Sierra Denali pickups de meia tonelada, Mark Voss, gerente do grupo de engenharia de compostos estruturais avançados e caixas de coleta da General Motors Co. (GM, Detroit, Michigan, EUA), ri. “O mais parte desafiadora? ” ele pergunta. “Cada parte deste projeto foi desafiadora. Tudo era novo:tínhamos novos critérios de design, novas especificações de desempenho de impacto e barreira traseira, além de um novo material e processo. Cada parte do processo de design foi um desafio em um ponto ou outro. No entanto, os resultados falam por si:a caixa CarbonPro é uma execução revolucionária. ”

Abordagem de equipe

Voss, que já trabalhou em aplicativos compostos para Corvette , sabe uma ou duas coisas sobre inovação e como convencer a administração a tentar coisas novas. Começando em 2011, ele esteve envolvido nas negociações iniciais e mais tarde no trabalho de desenvolvimento conjunto com a Teijin Ltd. (Tóquio, Japão) para comercializar aplicações automotivas para o composto de folha Sereebo CFRTP da Teijin então recentemente desenvolvido (consulte “Folhas Sereebo CFRTP:'Saving the Earth' ”). Três anos do que Voss chama de “ciclos de aprendizagem” - execução de testes e avaliações, localização e solução de problemas e, em seguida, execução de mais testes e avaliações - se seguiram antes que os membros da equipe sentissem que haviam entendido como o material se comportava e onde usá-lo. Foi quando eles começaram a procurar um aplicativo e uma plataforma para a estreia da Sereebo na indústria automotiva. Em 2015, eles identificaram a caixa de coleta no modelo do ano de 2019 Sierra Denali como ideal.

Vários fatores levaram à decisão. Primeiro, houve a economia de escala, pois os caminhões leves (picapes e veículos utilitários esportivos) representam o segmento de veículos de passageiros de crescimento mais rápido e mais lucrativo na América do Norte. Em segundo lugar, uma vez que os caminhões usam carroceria em vez de construção monocoque, a caixa não é parte integrante da carroceria em branco, portanto não requer o desempenho térmico para sobreviver ao E-coat - o revestimento eletroforético de corrosão aplicado ao chassi componentes no início da construção do veículo. Terceiro, como a caixa fica fora do compartimento do passageiro, os testes de impacto e casos de carga seriam menos severos do que aqueles para a própria estrutura da cabine, tornando-o um local menos arriscado para experimentar um novo material e processo. Por último, uma vez que os clientes da GMC geralmente adotam a tecnologia que é de alta tecnologia e luxuosa, espera-se que eles recebam todos os recursos exclusivos que a equipe estava planejando.

Voss descreve uma “abordagem de equipe verdadeira” para o trabalho de desenvolvimento de materiais e processos que tornou o CarbonPro uma realidade. Essa equipe incluiu GM, Teijin e a moldadora Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan, EUA), que se juntou ao esforço em 2015 para ajudar a comercializar o processo GM e Teijin co-desenvolvido e para produzir a caixa CarbonPro. A CSP, que foi adquirida pela Teijin em 2017, tem uma longa história de produção de outras caixas coletoras compostas em composto de moldagem de folha (SMC).

Tecnologia em evolução

Sereebo é um composto em folha com uma matriz de poliamida 6 (PA6) reforçada com fibra de carbono descontínua / cortada (25 milímetros, estopa de 24K). O leito de fibra foi descrito como sendo muito bem distribuído, conferindo ao material propriedades isotrópicas dependendo de como ele é moldado.

A matriz termoplástica oferece muitos benefícios. Primeiro, porque são fornecidos pré-polimerizados, os termoplásticos moldam muito mais rápido do que os termofixos, que polimerizam e se reticulam na ferramenta. A desvantagem dos polímeros pré-polimerizados, no entanto, é que as cadeias moleculares são mais longas, mais rígidas e mais emaranhadas, por isso é mais difícil molhar bem a fibra. Portanto, a fração de volume da fibra tende a ser menor do que com termofixos. Em segundo lugar, os termoplásticos também tendem a ter densidade mais baixa do que os termofixos, contribuindo com oportunidades de redução de peso. Mais importante ainda, os termoplásticos produzem superfícies muito melhores fora da ferramenta, eliminando o significativo acabamento pós-molde - como lixamento e pintura - que geralmente são necessários com os compostos termofixos. Além disso, um polímero “resistente” como o PA6 estende o desempenho térmico e aumenta a resistência a danos em comparação com o polipropileno, a matriz mais comum para compósitos termoplásticos usados ​​na indústria automotiva. Outro benefício é que as sobras / sucatas termoplásticas são facilmente recicladas (derretimento reprocessado) moendo o material e colocando-o em outro fluxo de alimentação com o mesmo sistema de resina - embora isso encurte os reforços de fibra.

Obviamente, a fibra de carbono contribui com maior rigidez e resistência do que a fibra de vidro, com menor peso e seções de parede mais finas - embora com um pequeno sacrifício na resistência ao impacto, que pode ser melhorada por meio da seleção da resina. Reboques mais pesados ​​são mais acessíveis do que os aeroespaciais mais finos e são comumente usados ​​na indústria automotiva, onde o módulo geralmente é o fator limitante em projetos, em vez da resistência final. Ao usar reforço de fibra cortada em vez de contínuo, a resistência final é reduzida, mas permanece mais do que adequada para aplicações automotivas e pode ser melhorada por meio de seções mais espessas ou adicionando geometria (por exemplo, nervuras) ou ambos. Alegadamente, um único tipo de Sereebo em duas espessuras está sendo usado para moldar a maioria dos componentes da caixa de coleta.

Formação híbrida

Embora Sereebo flua uma vez pré-aquecido e colocado em uma ferramenta, para manter sua isotropia natural, a equipe não está formando fluxo como termoplástico de esteira de vidro convencional (GMT), termoplástico de fibra longa direta (D-LFT) ou SMC . Em vez disso, um interessante processo de formação de híbridos é usado. Ele combina uma etapa de pré-formação inovadora realizada usando um dispositivo de pré-formação montado por robô (RMPD) seguido por moldagem por compressão em "pressões convencionais". O RMPD é descrito como uma ferramenta complicada de fim de braço, única para cada peça moldada. As peças são moldadas em tamanho maior do que o necessário - e então aparadas no tamanho final após a moldagem.

“As propriedades isotrópicas de Sereebo valem seu peso em ouro, então criamos um processo para reter essas propriedades do material”, observa Voss. “Ainda assim, estamos atingindo profundidades de tração de 14 a 16 polegadas [36 a 41 centímetros] nos painéis laterais em estrutural materiais ”, acrescenta.

“Os moldes de material da Sereebo como GMT e D-LFT”, explica Steve Pelczarski, diretor de engenharia da CSP para desenvolvimento de programas e produtos. “No entanto, deliberadamente mantemos o fluxo baixo limitando a temperatura do branco durante o pré-aquecimento - uma opção que protege tanto a resina quanto o estabilizador de UV - e pré-moldando a folha sobre a prensa logo antes da formação. A profundidade de desenho e os recursos que você pode produzir em Sereebo são infinitos, desde que você molde a forma antes de apresentar o material para a ferramenta. ”

As quatro maiores peças do CarbonPro - a cabeceira da cama, os painéis dos lados direito e esquerdo e a plataforma / piso - são formadas em uma nova prensa Dieffenbacher de 3.600 toneladas métricas com uma rápida (5 segundos ) ciclo de abertura / fechamento (consulte “Caixa CarbonPro:Novo processo de formação”) na planta de Huntington, Indiana, EUA, a 30 minutos da planta de montagem de Fort Wayne da GM (Roanoke, Ind., EUA), onde 2019 Chevrolet Silverado e GMC Sierra pickups são montados. Várias peças menores do CarbonPro - em Sereebo virgem, bem como em alguns LFT reciclados (usando sucata de Sereebo moída mais um pouco de PA6 virgem para aumentar o fluxo) - são moldadas por compressão nas proximidades em uma prensa menor de 1.200 toneladas métricas. Três etapas de subligação unem as soleiras do vagão cruzado, os poços das rodas e os módulos do painel lateral, então esses subconjuntos são reunidos em uma etapa final de colagem da caixa principal onde ocorre a montagem da caixa final. Um adesivo estrutural de uretano de duas partes (Pliogrip 8500 da Ashland LLC, Columbus, Ohio, U.S.) é usado em toda a extensão.

“Estamos obtendo 75 por cento de retenção de propriedade no Sereebo reciclado para os bolsos esquerdo e direito da aposta”, acrescenta Voss. “Esta é uma grande vantagem para ambas as partes, porque ajuda em nosso caso de negócios, ao mesmo tempo que torna o processo mais sustentável.” Dependendo de como as peças de reciclagem pós-industrial (PIR) se saem no campo, a GM e a CSP têm planos de reaproveitar 100 por cento da sucata de Sereebo em outras partes do veículo, o que tornaria o novo processo sem desperdício.

A CSP também está produzindo tampas de fechamento moldadas por compressão em fibra de vidro / PP D-LFT, conjuntos de casa de roda moldados por injeção e painéis de preenchimento frontal em fibra de vidro / PA6, minissills em pultrusões de epóxi reforçadas com fibra de vidro e três dos as quatro soleiras do cross-car da box em Sereebo.

Recursos focados no cliente

A caixa CarbonPro também inclui recursos especiais que aprimoram o veículo e seu espaço de carga (consulte “Recursos de discriminação”). Primeiro, a caixa provou ser incrivelmente resistente a impactos ( veja o vídeo abaixo ), que é um grande benefício funcional que elimina a necessidade de um forro de cama. Não apenas não enferruja ou amolga, mas o composto preto moldado em cor (MIC) não precisa de tinta ou revestimentos para protegê-lo contra arranhões e intempéries.

Em segundo lugar, muito trabalho foi feito para projetar a estrutura do piso corrugado. Uma textura leve é ​​usada em cochos para que a sujeira e a sujeira sejam removidas facilmente, enquanto uma textura agressiva “aderente” é moldada em cristas para garantir uma boa estabilidade mesmo quando a cama está molhada ou empoeirada. Bolsos especiais para motocicletas na cabeceira da cama e amarrações fixas (cada um com capacidade para cargas de 227 quilos) permitem que os clientes fixem duas bicicletas sujas nos lados esquerdo e direito, ou uma motocicleta "Fat Boy" Harley-Davidson no centro da frente da caixa . Amarrações adicionais são distribuídas estrategicamente para ajudar a estabilizar várias cargas. Luzes integradas iluminam o interior da caixa em torno dos alargamentos do para-lama e da porta traseira (padrão ou Multipro de seis posições - consulte “Características discriminatórias”).

A caixa composta desempenha um papel importante no Sierra construção de materiais mistos (combinando alumínio, aço de alta resistência e laminado, mais composto e plástico), uma combinação que reduz 163 quilos ao modelo anterior.