La fibre de carbone hachée, le polyamide et l'innovation redéfinissent la caisse d'une camionnette moderne

Interrogé sur l'aspect le plus difficile de la caisse composite en thermoplastique renforcé de fibres de carbone (CFRTP) CarbonPro, qui a fait ses débuts sur le GMC Sierra AT4 2019 à lit court (cabine double) (hors route) et Sierra Denali camionnettes d'une demi-tonne, Mark Voss, responsable du groupe d'ingénierie des composites structuraux avancés et des caisses de ramassage chez General Motors Co. (GM, Detroit, Michigan, États-Unis), rit. « Le le plus partie difficile? il demande. « Chaque partie de ce projet était un défi. Tout était nouveau :nous avions de nouveaux critères de conception, de nouvelles spécifications de performance d'impact et de barrière arrière, ainsi que de nouveaux matériaux et processus. Chaque partie du processus de conception a été un défi à un moment ou à un autre. Cependant, les résultats parlent d'eux-mêmes :la boîte CarbonPro est une exécution qui change la donne. »

Approche d'équipe

Voss, qui a précédemment travaillé sur des applications composites pour Corvette, connaît une chose ou deux sur l'innovation et parle à la direction d'essayer de nouvelles choses. À partir de 2011, il a été impliqué dans les négociations initiales et plus tard dans le travail de développement conjoint avec Teijin Ltd. »). Trois ans de ce que Voss appelle des « cycles d'apprentissage » – faire des essais et des évaluations, trouver et résoudre des problèmes, puis exécuter plus d'essais et d'évaluations–ont suivi avant que les membres de l'équipe ne sentent qu'ils comprennent comment le matériel se comporte et où l'utiliser. C'est à ce moment-là qu'ils ont commencé à chercher une application et une plate-forme pour les débuts de Sereebo dans l'industrie automobile. En 2015, ils avaient identifié la boîte de ramassage sur l'année modèle 2019 Sierra Denali comme idéal.

Il y a eu un certain nombre de facteurs qui ont conduit à la décision. Premièrement, il y avait l'économie d'échelle, car les camions légers (camionnettes et véhicules utilitaires sport) représentent le segment des véhicules de tourisme qui connaît la croissance la plus rapide et le plus rentable en Amérique du Nord. Deuxièmement, étant donné que les camions utilisent une carrosserie sur châssis au lieu d'une construction monocoque, la boîte ne fait pas partie intégrante de la carrosserie en blanc, elle ne nécessite donc pas les performances thermiques pour survivre à l'E-coat - le revêtement anticorrosion électrophorétique appliqué au châssis composants au début de la construction du véhicule. Troisièmement, étant donné que la boîte se trouve à l'extérieur de l'habitacle, les tests d'impact et les cas de charge seraient moins sévères que ceux de la structure de la cabine elle-même, ce qui en fait un endroit moins risqué pour essayer un nouveau matériau et un nouveau procédé. Enfin, étant donné que les clients de GMC adoptent généralement une technologie à la fois high-tech et luxueuse, ils sont censés accueillir toutes les fonctionnalités uniques que l'équipe prévoyait.

Voss décrit une « véritable approche d'équipe » pour le travail de développement de matériaux et de processus qui a permis de faire du CarbonPro une réalité. Cette équipe comprenait GM, Teijin et le mouleur Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan, États-Unis), qui s'est joint à l'effort en 2015 pour aider à commercialiser le processus développé conjointement par GM et Teijin et à produire la boîte CarbonPro. CSP, qui a été acheté par Teijin en 2017, a une longue histoire de production d'autres caisses de ramassage composites en composé de moulage en feuille (SMC).

Technologie en évolution

Sereebo est un composite en forme de feuille doté d'une matrice en polyamide 6 (PA6) renforcée de fibre de carbone discontinue/hachée (25 millimètres, remorquage 24K). Le lit de fibres a été décrit comme étant très bien réparti, conférant au matériau des propriétés isotropes selon la façon dont il est moulé.

La matrice thermoplastique offre de nombreux avantages. Premièrement, parce qu'ils sont fournis pré-polymérisés, les thermoplastiques moulent beaucoup plus rapidement que les thermodurcissables, qui polymérisent et se réticulent dans l'outil. L'inconvénient des polymères pré-polymérisés, cependant, est que les chaînes moléculaires sont plus longues, plus rigides et plus enchevêtrées, il est donc plus difficile d'obtenir une bonne humidification des fibres. Par conséquent, la fraction volumique des fibres a tendance à être inférieure à celle des thermodurcissables. Deuxièmement, les thermoplastiques ont également tendance à avoir une densité inférieure à celle des thermodurcissables, ce qui contribue aux opportunités d'allègement. Plus important encore, les thermoplastiques produisent de bien meilleures surfaces à partir de l'outil, éliminant ainsi les importantes finitions post-moulage - telles que le ponçage et la peinture - qui sont souvent nécessaires avec les composites thermodurcissables. De plus, un polymère « dur » comme le PA6 étend les performances thermiques et augmente la résistance aux dommages par rapport au polypropylène, la matrice la plus courante pour les composites thermoplastiques utilisés dans l'automobile. Un autre avantage est que les abats/rebuts thermoplastiques sont facilement recyclés (retraités à l'état fondu) en broyant le matériau et en le plaçant dans un autre flux d'alimentation avec le même système de résine, bien que cela raccourcisse les renforts en fibres.

Bien entendu, la fibre de carbone apporte une rigidité et une résistance supérieures à celles de la fibre de verre, avec un poids inférieur et des sections de paroi plus minces, mais avec un petit sacrifice en termes de résistance aux chocs, qui peut être améliorée via la sélection de résine. Les câbles plus lourds sont plus abordables que les qualités aérospatiales plus fines et sont couramment utilisés dans l'industrie automobile, où le module est généralement le facteur limitant dans les conceptions plutôt que la résistance ultime. En utilisant un renfort en fibres coupées plutôt que continues, la résistance ultime est réduite, mais reste plus qu'adéquate pour les applications automobiles et peut être améliorée via des sections plus épaisses ou en ajoutant une géométrie (par exemple, des nervures) ou les deux. Il semblerait qu'une seule qualité de Sereebo en deux épaisseurs soit utilisée pour mouler la plupart des composants de la caisse du pick-up.

Formation hybride

Bien que Sereebo s'écoule une fois préchauffé et placé dans un outil, pour maintenir son isotropie naturelle, l'équipe ne le forme pas comme le thermoplastique conventionnel à mat de verre (GMT), le thermoplastique direct à fibres longues (D-LFT) ou le SMC . Au lieu de cela, un processus de formation hybride intéressant est utilisé. Il combine une étape de préformage innovante réalisée à l'aide d'un dispositif de préformage monté sur robot (RMPD) suivie d'un moulage par compression à des « pressions conventionnelles ». Le RMPD est décrit comme un outillage en bout de bras compliqué qui est unique pour chaque pièce moulée. Les pièces sont moulées plus grandes que nécessaire, puis coupées à la taille finale après le moulage.

« Les propriétés isotropes de Sereebo valent leur pesant d'or, nous avons donc créé un processus pour conserver ces propriétés matérielles », note Voss. « Néanmoins, nous atteignons des profondeurs d'étirage de 14 à 16 pouces [36 à 41 centimètres] sur les panneaux latéraux en structural matériaux », ajoute-t-il.

« Le matériau Sereebo moule comme le GMT et le D-LFT », explique Steve Pelczarski, directeur de l'ingénierie CSP pour le développement de programmes et de produits. «Cependant, nous maintenons délibérément un débit bas en limitant la température de l'ébauche pendant le préchauffage - un choix qui protège à la fois la résine et le stabilisateur UV - et en préformant la feuille sur la presse juste avant le formage. La profondeur de dessin et les fonctionnalités que vous pouvez produire dans Sereebo sont infinies tant que vous préformez la forme avant de présenter le matériau à l'outil. »

Les quatre plus grandes pièces CarbonPro - la tête de lit, les panneaux latéraux droit et gauche et la plate-forme/le sol - sont formées sur une nouvelle presse Dieffenbacher de 3 600 tonnes avec une vitesse rapide (5-secondes ) cycle d'ouverture/fermeture (voir « Boîte CarbonPro :Nouveau processus de formage ») à l'usine CSP de Huntington, Ind., États-Unis, à 30 minutes de l'usine d'assemblage de Fort Wayne de GM (Roanoke, Ind., États-Unis) où 2019 Chevrolet Silverado et GMC Sierra les micros sont assemblés. Plusieurs pièces CarbonPro plus petites - en Sereebo vierge ainsi que dans certains LFT recyclés (utilisant des déchets de Sereebo broyés et du PA6 vierge pour améliorer l'écoulement) - sont moulées par compression à proximité sur une plus petite presse de 1 200 tonnes métriques. Trois étapes de sous-collage relient les seuils de traverse, les passages de roue et les modules de panneaux latéraux, puis ces sous-ensembles sont réunis dans une dernière étape de collage du boîtier principal où l'assemblage final du boîtier a lieu. Un adhésif structurel en uréthane en deux parties (Pliogrip 8500 de Ashland LLC, Columbus, Ohio, États-Unis) est utilisé partout.

« Nous obtenons une rétention de propriété de 75 % dans le Sereebo recyclé pour les poches de pieu gauche et droite», ajoute Voss. « C'est un grand gagnant-gagnant, car cela aide notre analyse de rentabilisation tout en rendant le processus plus durable. » Selon la façon dont les pièces de recyclage post-industriel (PIR) se vendent sur le terrain, GM et CSP ont l'intention de réutiliser 100 % des déchets Sereebo ailleurs dans le véhicule, ce qui rendrait le nouveau processus zéro déchet.

CSP produit également des couvercles de porte d'extrémité moulés par compression en fibre de verre/PP D-LFT, des ensembles de timonerie moulés par injection et des panneaux de remplissage avant en fibre de verre/PA6, des mini-seuils en pultrusions époxy renforcées de fibres de verre et trois des les quatre bas de caisse de box à Sereebo.

Fonctionnalités axées sur le client

La boîte CarbonPro comprend également des caractéristiques spéciales qui améliorent le véhicule et son espace de chargement (voir « Caractéristiques discriminantes »). Premièrement, la boîte s'est avérée incroyablement résistante aux chocs (voir la vidéo ci-dessous ), qui est un énorme avantage fonctionnel qui élimine le besoin d'une doublure de caisse. Non seulement il ne rouillera pas et ne se cabossera pas, mais le composite noir moulé en couleur (MIC) n'a besoin d'aucune peinture ni revêtement pour le protéger contre les rayures et les intempéries.

Deuxièmement, beaucoup de travail a été consacré à la conception de la structure du plancher en carton ondulé. Une texture légère est utilisée dans les auges pour que la saleté et la crasse s'enlèvent facilement, tandis qu'une texture agressive « adhérente » est moulée dans les crêtes pour assurer une bonne stabilité même lorsque le lit est humide ou poussiéreux. Des poches spéciales pour motos dans la tête de lit et des attaches collées (chacune pouvant supporter des charges de 227 kilogrammes) permettent aux clients de sécuriser deux motos tout-terrain sur les côtés gauche et droit, ou une moto Harley-Davidson «Fat Boy» au centre à l'avant de la boîte . Des attaches supplémentaires sont réparties stratégiquement pour aider à stabiliser diverses charges. Des lumières intégrées illuminent l'intérieur de la boîte autour des élargisseurs d'ailes et du hayon (soit Multipro de série soit à six positions — voir « Caractéristiques distinctives »).

La boîte composite joue un rôle important dans le Sierra's construction à matériaux mixtes (combinaison d'aluminium, d'acier à haute résistance et laminé, ainsi que de composite et de plastique), une combinaison qui réduit de 163 kg le modèle sortant.