Cama CarbonPro da GM Revoluciona Picapes Modernas com Compósito Termoplástico

Quando questionado sobre o aspecto mais desafiador da caixa de picape em compósito de fibra de carbono termoplástico (CFRTP) CarbonPro, que estreou nas picapes GMC Sierra AT4 (off-road) e Sierra Denali meia tonelada, cabine curta (crew-cab) do ano-modelo 2019, Mark Voss, gerente de grupo de engenharia de compósitos estruturais avançados e caixas de picape da General Motors Co. (GM, Detroit, Mich., EUA), ri. "A parte mais 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 momento ou outro. No entanto, os resultados falam por si: a caixa CarbonPro é uma execução que muda o jogo."

Abordagem em equipe

Voss, que anteriormente trabalhou em aplicações de compósitos para o Corvette, sabe uma ou duas coisas sobre inovação e convencer a gerência a tentar coisas novas. A partir de 2011, ele esteve envolvido nas negociações iniciais e posteriormente no trabalho de desenvolvimento conjunto com a Teijin Ltd. (Tóquio, Japão) para comercializar aplicações automotivas para o compósito em folha CFRTP Sereebo recém-desenvolvido da Teijin (veja "Folhas CFRTP Sereebo: 'Salvando a Terra'"). Três anos do que Voss chama de "ciclos de aprendizado" — executando testes e avaliações, encontrando e resolvendo problemas, depois executando mais testes e avaliações — se seguiram antes que os membros da equipe sentissem que entendiam como o material se comportava e onde usá-lo. Foi quando começaram a procurar uma aplicação e plataforma para a estreia do Sereebo na indústria automotiva. Em 2015, eles identificaram a caixa de picape do ano-modelo 2019 Sierra Denali como ideal.

Havia vários fatores que levaram à decisão. Primeiro, havia a economia de escala, já que caminhões leves (picapes e SUVs) representam o segmento de veículos de passageiros de crescimento mais rápido e mais rentável na América do Norte. Segundo, como os caminhões usam construção body-on-frame em vez de monocoque, a caixa não é integral à carroceria pintada, então não requer o desempenho térmico para sobreviver ao E-coat — o revestimento anticorrosão eletroforético aplicado aos componentes do chassi no início da construção do veículo. Terceiro, como a caixa fica fora do compartimento de passageiros, testes de impacto e casos de carga seriam menos severos que os da própria estrutura da cabine, tornando-a um local menos arriscado para testar um novo material e processo. Por fim, como os clientes da GMC geralmente abraçam tecnologia que é tanto high-tech quanto luxuosa, espera-se que recebam bem todos os recursos únicos que a equipe estava planejando.

Voss descreve uma "verdadeira abordagem em equipe" para o trabalho de desenvolvimento de material e processo que tornou o CarbonPro realidade. Essa equipe incluía GM, Teijin e o moldador Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Mich., EUA), que se juntou ao esforço em 2015 para ajudar a comercializar o processo que GM e Teijin co-desenvolveram e para produzir a caixa CarbonPro. A CSP, que foi comprada pela Teijin em 2017, tem uma longa história de produção de outras caixas de picape em compound de moldagem em folha (SMC).

Tecnologia em evolução

Sereebo é um compósito em forma de folha com matriz de poliamida 6 (PA6) reforçada com fibra de carbono descontínua/picada (25 milímetros, 24K tow). O leito de fibra foi descrito como muito bem distribuído, dando ao material propriedades isotrópicas dependendo de como é moldado.

A matriz termoplástica fornece muitos benefícios. Primeiro, como são fornecidos pré-polimerizados, termoplásticos moldam muito mais rápido que termofixos, que polimerizam e reticulam na ferramenta. A desvantagem de polímeros pré-polimerizados, no entanto, é que as cadeias moleculares são mais longas, mais rígidas e mais emaranhadas, então é mais difícil obter boa impregnação da fibra. Portanto, a fração de volume de fibra tende a ser menor que com termofixos. Segundo, termoplásticos também tendem a ter densidade menor que termofixos, contribuindo para oportunidades de leveamento. O mais importante, termoplásticos produzem superfícies muito melhores saindo da ferramenta, eliminando o significativo acabamento pós-moldagem — como lixamento e pintura — que são frequentemente necessários com compósitos termofixos. Além disso, um polímero "resistente" como PA6 estende o desempenho térmico e aumenta a resistência a danos comparado ao polipropileno, a matriz mais comum para compósitos termoplásticos usados no automotivo. Outro benefício é que aparas/sucata termoplástica são facilmente recicladas (reprocessadas por fusão) moendo o material e colocando-o em outro fluxo de alimentação com o mesmo sistema de resina — embora isso encurte os reforços de fibra.

Claro, a fibra de carbono contribui com maior rigidez e resistência que a fibra de vidro, a menor peso e seções de parede mais finas — embora com pequeno sacrifício na resistência ao impacto, que pode ser melhorada via seleção de resina. Tows mais pesados são mais acessíveis que graus aeroespaciais mais finos e são comumente usados na indústria automotiva, onde o módulo geralmente é o fator limitante nos designs em vez da resistência final. Ao usar reforço de fibra picada em vez de contínua, a resistência final é reduzida, mas permanece mais que adequada para aplicações automotivas e pode ser melhorada via seções mais grossas ou adicionando geometria (por exemplo, nervuras) ou ambos. Relatórios indicam que um único grau de Sereebo em duas espessuras está sendo usado para moldar a maioria dos componentes da caixa de picape.

Conformação híbrida

Embora o Sereebo flua uma vez pré-aquecido e colocado na ferramenta, para manter sua isotropia natural, a equipe não o conforma por fluxo como GMT (termoplástico reforçado com manta de vidro) convencional, D-LFT (termoplástico reforçado com fibra longa direta) ou SMC. Em vez disso, um interessante processo de conformação híbrido é usado. Ele combina uma etapa inovadora de pré-conformação realizada usando um dispositivo de pré-conformação montado em robô (RMPD) seguida por moldagem por compressão em "pressões convencionais". O RMPD é descrito como ferramenta de ponta de braço complicada que é única para cada peça sendo moldada. As peças são moldadas maiores que o necessário — então aparadas ao tamanho final após a moldagem.

"As propriedades isotrópicas do Sereebo valem seu peso em ouro, então criamos um processo para reter essas propriedades do material", observa Voss. "Ainda assim, estamos alcançando profundidades de conformação de 14 a 16 polegadas [36 a 41 centímetros] nos painéis laterais em materiais estruturais", ele adiciona.

"O material Sereebo molda como GMT e D-LFT", explica Steve Pelczarski, diretor de engenharia da CSP para desenvolvimento de programa e produto. "No entanto, deliberadamente mantemos o fluxo baixo limitando a temperatura do blank durante o pré-aquecimento — uma escolha que protege tanto a resina quanto o estabilizador UV — e pré-conformando a folha sobre a prensa logo antes da conformação. A profundidade de conformação e características que você pode produzir no Sereebo são infinitas desde que você pré-conforme a forma antes de apresentar o material à ferramenta."

As quatro maiores peças do CarbonPro — o painel frontal, painéis laterais direito e esquerdo, e o assoalho/plataforma — são conformadas em uma nova prensa Dieffenbacher de 3.600 toneladas métricas com ciclo rápido de abertura/fechamento de 5 segundos (veja "Caixa CarbonPro: Novo processo de conformação") na fábrica da CSP em Huntington, Ind., EUA, a 30 minutos da fábrica de montagem de Fort Wayne da GM (Roanoke, Ind., EUA) onde as picapes 2019 Chevrolet Silverado e GMC Sierra são montadas. Várias peças menores do CarbonPro — em Sereebo virgem, bem como em LFT reciclado (usando sucata de Sereebo moída mais algum PA6 virgem para melhorar o fluxo) — são moldadas por compressão nas proximidades em uma prensa menor de 1.200 toneladas métricas. Três sub-etapas de colagem unem longarinas transversais, caixas de roda e módulos de painéis laterais, então essas sub-montagens são reunidas em uma etapa final de colagem da caixa principal onde ocorre a montagem final da caixa. Um adesivo estrutural de uretano de duas partes (Pliogrip 8500 da Ashland LLC, Columbus, Ohio, EUA) é usado em todo o processo.

"Estamos obtendo 75% de retenção de propriedades no Sereebo reciclado para bolsas laterais esquerda e direita", adiciona Voss. "Esta é uma grande vitória dupla, porque ajuda nosso caso de negócios enquanto torna o processo mais sustentável." Dependendo de como as peças de reciclado pós-industrial (PIR) se saírem em campo, GM e CSP têm planos de reaproveitar 100% da sucata de Sereebo em outras partes do veículo, o que tornaria o novo processo zero-resíduo.

A CSP também está produzindo tampas de tampa traseira moldadas por compressão em D-LFT de fibra de vidro/PP, conjuntos de caixa de roda moldados por injeção e painéis frontais de preenchimento em fibra de vidro/PA6, mini-longarinas em pultrusão de fibra de vidro/epóxi, e três das quatro longarinas transversais da caixa em Sereebo.

Recursos focados no cliente

A caixa CarbonPro também inclui recursos especiais que melhoram o veículo e seu espaço de carga (veja "Recursos diferenciadores"). Primeiro, a caixa provou ser incrivelmente resistente a impactos (veja vídeo abaixo), o que é um enorme benefício funcional que elimina a necessidade de forro de caixa. Não apenas não enferruja ou amassa, mas o compósito preto colorido na massa (MIC) não precisa de tinta ou revestimentos para protegê-lo contra arranhões e intemperismo.

Segundo, muito trabalho foi dedicado ao design da estrutura do assoalho corrugado. Uma textura leve é usada nos vales para que sujeira e graxa sejam lavadas facilmente, enquanto uma textura "aderente" agressiva é moldada nas cristas para garantir boa estabilidade mesmo quando a caixa está molhada ou empoeirada. Bolsos especiais para motocicletas no painel frontal e pontos de amarração colados (cada um capaz de cargas de 227 quilogramas) permitem que os clientes fixem duas motos de trilha nos lados esquerdo e direito, ou uma motocicleta Harley-Davidson "Fat Boy" no centro-frontal da caixa. Pontos de amarração adicionais são distribuídos estrategicamente para ajudar a estabilizar várias cargas. Luzes integrais iluminam o interior da caixa ao redor dos alargadores de para-lama e da tampa traseira (seja padrão ou Multipro de seis posições — veja "Recursos diferenciadores").

A caixa de compósito desempenha um papel importante na construção de materiais mistos do Sierra (combinando alumínio, aço de alta resistência e conformado a rolo, além de compósito e plástico), uma combinação que reduz 163 quilogramas do modelo anterior.