Рубленое углеродное волокно, полиамид и инновации меняют представление о грузовых платформах современных пикапов. CarbonPro, первая грузовая платформа из термопластичного композиционного материала, обладает повышенной прочностью, уменьшенным весом и готова к массовому производству.
Когда Марка Восса, руководителя проектной группы по передовым конструкционным композиционным материалам и кузовам пикапов в компании General Motors Co.
(GM, Детройт, штат Мичиган, США), спросили о самом сложном аспекте работы над грузовым отсеком CarbonPro из термопласта, армированного углеродным волокном, впервые представленного на автомобилях GMC Sierra AT4 (внедорожник) с двухрядной кабиной и укороченной грузовой площадкой и полутонном Sierra Denali 2019 года, он рассмеялся. «Самое сложное?», – спросил он. «В этом проекте все было сложно. Все было в новинку: у нас были новые критерии проектирования, новые технические требования к ударопрочности и к заднему борту, к тому же, мы использовали новые материалы и процессы. Каждый этап проектирования привносил те или иные сложности. Однако результаты говорят сами за себя: кузов CarbonPro представлен в революционном исполнении».
Грузовая платформа CarbonPro.
Грузовая платформа CarbonPro — это первый в мире грузовой отсек из композиционного материала, армированного углеродным волокном, представленный этой весной на пикапах GMC Sierra AT4 (внедорожник) с двухрядной кабиной и укороченной грузовой площадкой и полутонном Sierra Denali от компании General Motors Co.
РАБОТА В КОМАНДЕ
Восс, ранее работавший над применением композиционных материалов для компании Corvette, разбирается в инновациях и умеет уговорить начальство пробовать новые подходы. Начиная с 2011 года, он принимал участие в переговорах и дальнейших совместных разработках с компанией Teijin Ltd. (Токио, Япония) по внедрению только что созданного на тот момент термопластичного композиционного материала, армированного углеродным волокном, Sereebo от компании Teijin в серийное производство автомобилей. На «освоение» технологии, как это называет Восс (проведение испытаний и оценок, обнаружение проблем, их решение и проведение новых испытаний и оценок), ушло три года, прежде чем команда обрела четкое понимание того, как ведет себя материал и где его можно использовать. Тогда начались поиски платформы для первого применения Sereebo в автомобильной промышленности. К 2015 году для этих целей был выбран грузовой отсек пикапа Sierra Denali 2019-го модельного года.
Этому способствовал ряд факторов. Прежде всего, свою роль сыграла экономия, обусловленная ростом производства, поскольку малотоннажные грузовые автомобили (пикапы и кроссоверы) представляют собой самый быстро растущий, прибыльный сегмент рынка пассажирских автомобилей в Северной Америке. Во-вторых, поскольку в пикапах используется рамная конструкция кузова, а не монокок, грузовая платформа изначально не является неотъемлемой частью кузова, поэтому не должен обладать определенными тепловыми характеристиками, чтобы выдерживать процесс нанесения антикоррозионного покрытия методом электрофореза, которому подвергаются компоненты шасси в самом начале сборки автомобиля. В-третьих, поскольку грузовая платформа находится вне пассажирской кабины, то ударные и нагрузочные испытания будут менее серьезными, чем для самой кабины, что делает такое расположение менее опасным и позволяет пробовать новые материалы и процессы. И, наконец, клиенты компании GMC, в целом, приветствуют инновации, одновременно высокотехнологичные и относящиеся к классу «люкс», поэтому предполагается, что они с энтузиазмом воспримут все уникальные особенности, над которыми работает команда.
Восс описывает «настоящий командный подход» к разработке материалов и процессов, который был применен при создании CarbonPro. В команду вошли компании GM, Teijin и литейная компания Continental Structural Plastics (CSP, Оберн-Хилс, штат Мичиган, США), в 2015 году объединившие усилия для реализации процесса, совместно разработанного компаниями GM и Teijin, и создания грузовой платформы CarbonPro. Компания CSP, приобретенная Teijin в 2017 году, многие годы производила другие грузовые платформы пикапов из листовых прессматериалов.
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Sereebo – это листовой композиционный материал, содержащий матрицу из полиамида 6, армированную дискретным/рубленным углеродным волокном (25 мм, 24 тысячи нитей). Волокнистый наполнитель хорошо распределяется, придавая материалу изотропные свойства, в зависимости от способа формования.
Термопластичная матрица обеспечивает массу преимуществ. Во-первых, поскольку матрицы поставляются предварительно полимеризованными, термопласты формуются гораздо быстрее, чем термореактивные материалы, которые полимеризируются и сшиваются в пресс-форме. Слабая сторона предварительно полимеризованных полимеров состоит в том, что молекулярные цепи их более длинные, жесткие и запутанные, поэтому сложно обеспечить хорошее смачивание волокна. Поэтому объемное содержание волокна обычно ниже, чем в термореактивных материалах. Во-вторых, для термопластов характерна более низкая плотность по сравнению с термореактивными материалами, что дает им преимущество из-за легкого веса. Особенно важно, что термопласты образуют более качественные поверхности на выходе из формы, что устраняет необходимость в отделке после формования (шлифование и окраска), которая зачастую неизбежна при работе с термореактивными композиционными материалами. К тому же, «жесткий» полимер, такой как полиамид 6, расширяет температурный диапазон и повышает устойчивость к повреждениям по сравнению с полипропиленом, самой распространенной матрицей для термопластичных композиционных материалов в автомобилестроении.
Ударопрочность и грузовое пространство
Грузовая платформа CarbonPro обладает множеством особенностей, направленных на усовершенствование самого автомобиля и его грузового пространства. Во-первых, грузовая платформа крайне ударопрочная, что является огромным функциональным преимуществом и устраняет необходимость в защитном покрытии кузова. Она устойчива к образованию коррозии и вмятин, а отлитый в цвете черный композиционный материал не требует нанесения краски/покрытия для защиты от царапин и атмосферных воздействий. Во-вторых, много внимания уделялось проектированию гофрированного пола. В желобах используется материал легкой текстуры, поэтому грязь быстро смывается, в то время как “цепкая” грубая текстура используется на верхних поверхностях, чтобы обеспечить оптимальную устойчивость, даже когда платформа влажная или пыльная.
Еще одно преимущество заключается в том, что обрезки/отходы производства термопластов легко можно переработать (посредством плавления) путем измельчения материала и добавления его в другой поток исходных материалов той же смоляной системы, хотя это и укорачивает арматуру из волокон.
Разумеется, углеродное волокно придает большую жесткость и прочность, чем стекловолокно, при этом обладает меньшим весом и более тонкими стенками, даже несмотря на небольшую потерю в ударопрочности, которую можно компенсировать подбором подходящей смолы. Более толстые жгуты доступнее тонких, используемых в аэрокосмической отрасли, и зачастую применяются в автомобильной промышленности, где модель упругости, как правило, является ограничивающим фактором в конструкции, превалирующим над пределом прочности. При использовании рубленого, а не непрерывного волокна, предел прочности снижается, но остается более чем достаточным для автомобильной отрасли; его также можно улучшить путем утолщения секций или усложнения геометрии (например, ребристости). Сообщается, что для формования большинства компонентов грузовой платформы пикапа используется один сорт Sereebo в двух вариантах толщины.
СОЗДАНИЕ ГИБРИДОВ
Хотя материал Sereebo поступает в форму предварительно нагретым, чтобы сохранить его естественную изотропность, команда не использует традиционный термопласт, армированный стекломатом (GMT), прямой длинноволоконный термопласт (D-LFT) или листовой прессматериал (SMC). Вместо этого используется интересный процесс формования гибридов. В нем сочетается инновационный этап предварительного формования, выполняемый с помощью роботизированного устройства для получения заготовок, и последующее прессование в форме под «стандартным давлением». Роботизированное устройство для предварительного формования описывается как сложный рабочий орган робота, уникальный для каждой формуемой детали. Детали формуются более крупными, чем необходимо, затем обрезаются до окончательного размера.
«Изотропные свойства Sereebo ценятся на вес золота, поэтому мы разработали процесс, ориентированный на сохранение данных свойств материала», – отмечает Восс. “Тем не менее, мы добились глубины вытяжки от 14 до 16 дюймов [36 — 41 см] на боковых панелях из конструкционных материалов”, – добавляет он.
“Материал Sereebo формуется как GMT и D-LFT”, – объясняет Стив Пелцарски, технический директор по разработке программ и продукции в компании CSP. “Однако мы намеренно поддерживаем низкий расход, ограничивая температуру заготовки в процессе предварительного нагрева для защиты смолы и УФ-стабилизатора и предварительно формуя листы под прессом непосредственно перед формованием. Глубина вытяжки и свойства, которые можно получить, работая с материалом Sereebo, бесконечны, если вы предварительно формуете заготовку перед подачей материала в пресс-форму”.
Четыре крупных детали CarbonPro – передний борт, правая и левая боковые панели и платформа/настил – формуются на новом прессе Dieffenbacher весом 3600 тонн с быстрым (5-секундным) циклом открытия/закрытия (See Learn More) на заводе компании CSP в Ханингтоне, штат Индиана, США, в 30 минутах от сборочного производства компании GM в Форт-Уэйне (Роанок, штат Индиана, США), где собираются пикапы Chevrolet Silverado и GMC Sierra 2019 года. Несколько меньших по размеру деталей CarbonPro – из чистого Sereebo, а также из вторичного длинноволоконного термопласта (отходы Sereebo и чистый полиамид 6 для повышения текучести) – прессуются рядом на небольшом прессе весом 1200 тонн. В процессе трех этапов предварительного соединения собирают поперечные балки, ниши колес и модули боковых панелей, затем эти подузлы собирают на заключительном этапе склейки, где происходит окончательная сборка грузовой платформы. Во всех этих процессах используется двухкомпонентный уретановый конструкционный клей (Pliogrip 8500 от компании Ashland LLC, Колумбус, штат Огайо, США).
Фиксаторы для мотоциклов
Специальные фиксаторы для мотоцикла на переднем борте и стяжки (каждая способна выдерживать нагрузку в 227 кг) позволяют закрепить два эндуро мотоцикла с левой и правой сторон грузовой платформы CarbonPro box (верхнее фото) или один мотоцикл “Fat Boy” (от Harley-Davidson USA, Милуоки, штате Висконсин, США) в центре грузовой платформы (нижнее фото). Дополнительные стяжки помогают стабилизировать различные нагрузки. Встроенные световые устройства освещают грузовую платформу в зоне расширителей колесных арок и заднего откидного борта. Грузовая платформа CarbonPro позволила уменьшить вес на 28 кг по сравнению с укороченной стальной платформой на другой модели, хотя она рассчитана на перевозку немного более тяжелых грузов (как сообщается, как минимум 27 кг в зависимости от конфигурации и оборудования).
“Мы на 75% сохранили свойства во вторичном Sereebo для изготовления пазов для стоек”, – добавляет Восс. “Это беспроигрышный вариант, поскольку он экономически эффективен для нашего бизнеса и в то же время делает процесс более экологичным”. В зависимости от того, как детали из вторичного материала проявят себя в эксплуатации, компании GM и CSP планируют использовать 100% отходов Sereebo для изготовления других элементов автомобилей, что сделает новый процесс безотходным.
Компания CSP также производит методом прессования – крышки концевых затворов из полипропилена, армированного длинным стекловолокном; методом литья под давлением – колесные арки и передние панели из полиамида 6, армированного стекловолокном; методом пултрузии – минипороги из эпоксидного материала, армированного стекловолокном; и три из четырех поперечных балок грузовой платформы из материала Sereebo.
КЛИЕНТООРИЕНТИРОВАННОСТЬ
Грузовая платформа CarbonPro обладает множеством особенностей, направленных на усовершенствование самого автомобиля и его грузового пространства.
Во-первых, грузовая платформа крайне ударопрочная, что является огромным функциональным преимуществом и устраняет необходимость в защитном покрытии кузова. Она устойчива к образованию коррозии и вмятин, а отлитый в цвете черный композиционный материал не требует нанесения краски или покрытия для защиты от царапин и атмосферных воздействий.
Во-вторых, много внимания уделялось проектированию гофрированного пола. В желобах используется материал легкой текстуры, поэтому грязь быстро смывается, в то время как “цепкая” грубая текстура используется на верхних поверхностях, чтобы обеспечить оптимальную устойчивость, даже когда платформа влажная или пыльная.
Специальные фиксаторы для мотоциклов на переднем борте и стяжки (каждая способна выдерживать нагрузку в 227 кг) позволяют закрепить на грузовой платформе два велосипеда или один мотоцикл Harley-Davidson “Fat Boy”. Дополнительные стяжки помогают стабилизировать различные нагрузки.
Встроенные световые устройства освещают грузовую платформу в зоне расширителей колесных арок и заднего откидного борта (стандартный или шестипозиционный Multipro).
Композитная грузовая платформа играет важную роль в конструкции Sierra из смешанных материалов (сочетание алюминия, высокопрочной и катаной стали, композиционные материалы и пластмасса); это сочетание облегчает конструкцию на 163 кг по сравнению с предыдущей моделью.
