Le lit CarbonPro de GM révolutionne les pick-ups modernes avec composite thermoplastique carbone

Interrogé sur l'aspect le plus difficile du lit de pick-up en composite thermoplastique renforcé de fibres de carbone (CFRTP) CarbonPro, qui a fait ses débuts sur les GMC Sierra AT4 (tout-terrain) et Sierra Denali à cabine courte (crew-cab) de l'année modèle 2019, Mark Voss, responsable du groupe d'ingénierie des composites structurels avancés et des lits de pick-up chez General Motors Co. (GM, Detroit, Michigan, USA), rit. « La plus grande difficulté ? » demande-t-il. « Chaque partie de ce projet était un défi. Tout était nouveau : nous avions de nouveaux critères de conception, de nouvelles spécifications de performance aux chocs et aux barrières arrière, plus un nouveau matériau et procédé. Chaque partie du processus de conception a été un défi à un moment ou un autre. Cependant, les résultats parlent d'eux-mêmes : le lit CarbonPro est une réalisation qui change la donne. »

Approche par équipe

Voss, qui a précédemment travaillé sur des applications composites pour la Corvette, connaît l'innovation et l'art de convaincre la direction d'essayer de nouvelles choses. Dès 2011, il a été impliqué dans les négociations initiales et plus tard le travail de développement conjoint avec Teijin Ltd. (Tokyo, Japon) pour commercialiser des applications automobiles pour le nouveau composite en feuille Sereebo CFRTP de Teijin (voir « Sereebo CFRTP sheets: 'Saving the Earth' »). Trois ans de ce que Voss appelle des « cycles d'apprentissage » — essais et évaluations, identification et résolution des problèmes, puis nouveaux essais et évaluations — ont suivi avant que les membres de l'équipe ne sentent qu'ils comprenaient le comportement du matériau et où l'utiliser. C'est alors qu'ils ont commencé à chercher une application et une plateforme pour les débuts de Sereebo dans l'industrie automobile. En 2015, ils avaient identifié le lit de pick-up sur le Sierra Denali de l'année modèle 2019 comme idéal.

Plusieurs facteurs ont conduit à cette décision. Premièrement, l'économie d'échelle, les camions légers (pick-ups et SUV) représentant le segment de véhicules passagers à la croissance la plus rapide et le plus rentable en Amérique du Nord. Deuxièmement, comme les camions utilisent une construction châssis-carrosserie au lieu de la construction monocoque, le lit n'est pas intégré à la carrosserie brute, donc il n'exige pas la performance thermique pour survivre à l'électrophorèse — le revêtement anticorrosion appliqué aux composants du châssis au début de la construction du véhicule. Troisièmement, comme le lit se trouve hors de l'habitacle, les essais de choc et cas de charge seraient moins sévères que ceux pour la structure de la cabine elle-même, en faisant un emplacement moins risqué pour essayer un nouveau matériau et procédé. Enfin, comme les clients de GMC adoptent généralement la technologie à la fois high-tech et luxueuse, on s'attend à ce qu'ils accueillent favorablement toutes les caractéristiques uniques que l'équipe prévoyait.

Voss décrit une « véritable approche d'équipe » pour le travail de développement matériau et procédé qui a rendu le CarbonPro possible. Cette équipe incluait GM, Teijin et le mouleur Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan, USA), qui a rejoint l'effort en 2015 pour aider à commercialiser le procédé co-développé par GM et Teijin et à produire le lit CarbonPro. CSP, qui a été racheté par Teijin en 2017, a une longue histoire de production d'autres lits de pick-up en composé de moulage en feuille (SMC).

Technologie en évolution

Sereebo est un composite en forme de feuille avec une matrice polyamide 6 (PA6) renforcée de fibres de carbone discontinues/hachées (25 millimètres, 24K brins). Le lit de fibres a été décrit comme très bien distribué, donnant au matériau des propriétés isotropes selon la façon dont il est moulé.

La matrice thermoplastique offre de nombreux avantages. Premièrement, comme ils sont fournis pré-polymérisés, les thermoplastiques moulent beaucoup plus vite que les thermodurcissables, qui polymérisent et se réticulent dans l'outillage. L'inconvénient des polymères pré-polymérisés, cependant, est que les chaînes moléculaires sont plus longues, plus rigides et plus emmêlées, donc il est plus difficile d'obtenir une bonne imprégnation des fibres. Par conséquent, la fraction volumique de fibres tend à être plus faible qu'avec les thermodurcissables. Deuxièmement, les thermoplastiques ont aussi tendance à avoir une densité plus faible que les thermodurcissables, offrant des opportunités d'allègement. Plus important encore, les thermoplastiques produisent des surfaces bien meilleures à la sortie de l'outillage, éliminant les finitions post-moulage significatives — comme le ponçage et la peinture — souvent nécessaires avec les composites thermodurcissables. De plus, un polymère « résistant » comme le PA6 étend la performance thermique 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 chutes/rebuts thermoplastiques sont facilement recyclés (refusion) en broyant le matériau et le réinjectant dans une autre ligne d'alimentation avec le même système de résine — bien que cela raccourcisse les renforts en fibres.

Bien sûr, la fibre de carbone apporte une rigidité et une résistance supérieures à la fibre de verre, à poids inférieur et sections plus minces — bien qu'avec un léger sacrifice en résistance à l'impact, qui peut être amélioré via le choix de la résine. Les brins plus gros sont plus abordables que les qualités aérospatiales 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 du renforcement en fibres hachées 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 de la géométrie (par exemple, nervures) ou les deux. Selon les rapports, un seul grade de Sereebo en deux épaisseurs est utilisé pour mouler la plupart des composants du lit de pick-up.

Formage hybride

Bien que Sereebo s'écoule une fois préchauffé et placé dans l'outillage, pour maintenir son isotropie naturelle, l'équipe ne le formage pas par écoulement comme le GMT (thermoplastique à mat de verre) conventionnel, le D-LFT (thermoplastique à fibres longues discontinues) ou le SMC. Au lieu de cela, un procédé de formage 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 de bout de bras complexe, unique pour chaque pièce moulée. Les pièces sont moulées plus grandes que nécessaire — puis parées à la taille finale après moulage.

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

« Le matériau Sereebo moule comme le GMT et le D-LFT », explique Steve Pelczarski, directeur de l'ingénierie pour le développement programmes et produits chez CSP. « Cependant, nous limitons délibérément l'écoulement en limitant la température du blank pendant le préchauffage — un choix qui protège à la fois la résine et le stabilisant UV — et en préformant la feuille sur la presse juste avant le formage. La profondeur d'étirage et les caractéristiques que vous pouvez produire en Sereebo sont infinies tant que vous préformez la forme avant de présenter le matériau à l'outillage. »

Les quatre plus grandes pièces CarbonPro — la cloison avant, les panneaux latéraux droit et gauche, et la plateforme/plancher — sont formées sur une nouvelle presse Dieffenbacher de 3 600 tonnes métriques avec un cycle d'ouverture/fermeture rapide (5 secondes) à l'usine de CSP à Huntington, Indiana, USA, à 30 minutes de l'usine d'assemblage de Fort Wayne de GM (Roanoke, Indiana, USA) où les pick-ups 2019 Chevrolet Silverado et GMC Sierra sont assemblés. Plusieurs pièces CarbonPro plus petites — en Sereebo vierge ainsi qu'en LFT recyclé (utilisant des chutes de Sereebo broyées plus du PA6 vierge pour améliorer l'écoulement) — sont moulées par compression à proximité sur une presse de 1 200 tonnes métriques. Trois étapes de sous-collage assemblent les longerons transversal, les passages de roues et les modules de panneaux latéraux, puis ces sous-ensembles sont réunis dans une étape finale de collage principal où l'assemblage final du lit se fait. Un adhésif structural bi-composant uréthane (Pliogrip 8500 d'Ashland LLC, Columbus, Ohio, USA) est utilisé tout au long.

« Nous obtenons 75 % de rétention des propriétés dans le Sereebo recyclé pour les poches de piquets gauche et droite », ajoute Voss. « C'est un grand gagnant-gagnant, car cela aide notre business case tout en rendant le procédé plus durable. » Selon le comportement des pièces en recyclat post-industriel (PIR) sur le terrain, GM et CSP ont des projets pour réutiliser 100 % des chutes de Sereebo ailleurs dans le véhicule, ce qui rendrait le nouveau procédé zéro déchet.

CSP produit également des caches de hayon moulés par compression en D-LFT verre/PP, des ensembles de passages de roues moulés par injection en verre/PA6, des panneaux de remplissage avant en verre/PA6, des mini-longerons en pultrusion époxy renforcée verre, et trois des quatre longerons transversaux du lit en Sereebo.

Fonctionnalités axées client

Le lit CarbonPro inclut également des caractéristiques spéciales qui améliorent le véhicule et son espace de chargement. Premièrement, le lit s'est avéré incroyablement résistant aux chocs (voir vidéo ci-dessous), ce qui est un énorme avantage fonctionnel qui élimine le besoin de protection de lit. Non seulement il ne rouille pas ou ne s'enfonce pas, mais le composite noir coloré dans la masse (MIC) n'a besoin d'aucune peinture ou revêtement pour le protéger contre les rayures et les intempéries.

Deuxièmement, beaucoup de travail a été consacré à la conception de la structure de plancher ondulée. Une texture légère est utilisée dans les creux pour que la saleté et la crasse s'enlèvent facilement, tandis qu'une texture « adhérente » agressive est moulée dans les crêtes pour assurer une bonne stabilité même quand le lit est mouillé ou poussiéreux. Des poches spéciales pour motos dans la cloison avant et des attaches collées (chacune capable de charges de 227 kilogrammes) permettent aux clients de fixer deux motos cross sur les côtés gauche et droit, ou une moto Harley-Davidson « Fat Boy » au centre-avant du lit. Des attaches supplémentaires sont réparties stratégiquement pour aider à stabiliser diverses charges. Des lumières intégrées éclairent l'intérieur du lit autour des ailes et du hayon (standard ou hayon six positions Multipro).

Le lit composite joue un rôle important dans la construction multi-matériaux du Sierra (combinant aluminium, acier haute résistance et acier profilé, plus composite et plastique), une combinaison qui réduit de 163 kilogrammes le modèle sortant.