다단 탄소 섬유, 폴리아미드 및 혁신이 현대식 픽업 트럭 베드를 재정의합니다

2019년 숏베드(승무실) GMC Sierra AT4에서 데뷔한 CarbonPro 탄소 섬유 강화 열가소성 수지(CFRTP) 복합 픽업 상자의 가장 어려운 점에 대해 질문을 받았을 때 (오프로드) 및 시에라 데날리 하프톤 픽업, General Motors Co.(GM, Detroit, Mich., 미국)의 고급 구조용 복합 재료 및 픽업 박스의 엔지니어링 그룹 관리자인 Mark Voss는 웃는다. “대부분 도전적인 부분?” 그는 묻는다. “이 프로젝트의 모든 부분이 도전적이었습니다. 모든 것이 새롭습니다. 새로운 디자인 기준, 새로운 임팩트 및 리어 배리어 성능 사양이 있었고 새로운 재료와 프로세스가 있었습니다. 디자인 프로세스의 모든 부분은 한 지점 또는 다른 지점에서 도전이었습니다. 그러나 결과는 스스로를 말해줍니다. CarbonPro 상자는 판도를 바꾸는 실행입니다.”

팀 접근 방식

이전에 Corvette용 복합 응용 프로그램에 대해 작업한 Voss, 혁신에 대해 한두 가지를 알고 있고 경영진에게 새로운 것을 시도하도록 이야기합니다. 2011년부터 그는 Teijin Ltd.(일본 도쿄)와 초기 협상 및 이후 공동 개발 작업에 참여하여 Teijin이 당시 새로 개발한 Sereebo CFRTP 시트 복합재의 자동차 응용 제품을 상용화했습니다("Sereebo CFRTP 시트:'Saving Earth' 참조). "). Voss가 "학습 주기"라고 부르는 3년 동안의 시도 및 평가 실행, 문제 찾기 및 해결, 더 많은 시도 및 평가 실행은 팀원들이 자료의 작동 방식과 사용 위치를 이해했다고 느끼기 전에 이어졌습니다. 그 때 그들은 Sereebo의 자동차 산업 데뷔를 위한 애플리케이션과 플랫폼을 찾기 시작했습니다. 2015년까지 그들은 2019년식 Sierra Denali의 픽업 상자를 식별했습니다. 이상적입니다.

결정을 내리게 된 데에는 여러 가지 요인이 있었습니다. 첫째, 소형 트럭(픽업 및 스포츠 유틸리티 차량)이 북미에서 가장 빠르게 성장하고 수익성이 높은 승용차 부문을 대표하기 때문에 규모의 경제가 있었습니다. 둘째, 트럭은 모노코크 구조 대신 차체 구조를 사용하기 때문에 상자는 흰색 차체에 통합되지 않으므로 E-coat(섀시에 적용된 전기 영동 부식 코팅)를 견디기 위해 열 성능이 필요하지 않습니다. 차량 제작을 시작할 때의 구성 요소. 셋째, 상자가 승객실 외부에 있기 때문에 충격 테스트 및 로드 케이스가 캡 구조 자체에 대한 것보다 덜 심각하므로 새로운 재료 및 프로세스를 시도하기에 덜 위험한 위치가 됩니다. 마지막으로, GMC의 고객은 일반적으로 첨단 기술과 고급스러운 기술을 모두 수용하기 때문에 팀이 계획한 모든 고유한 기능을 환영할 것으로 기대됩니다.

Voss는 CarbonPro를 현실로 만드는 데 들어간 재료 및 프로세스 개발 작업에 대한 "진정한 팀 접근 방식"을 설명합니다. 그 팀에는 GM, Teijin 및 성형업체 Continental Structural Plastics(CSP, Auburn Hills, Mich., U.S.)가 포함되어 있으며, GM과 Teijin이 공동 개발한 프로세스를 상용화하고 CarbonPro 상자를 생산하기 위해 2015년에 합류했습니다. 2017년 Teijin이 인수한 CSP는 시트 몰딩 컴파운드(SMC)로 다른 복합 픽업 박스를 생산한 오랜 역사를 가지고 있습니다.

진화하는 기술

Sereebo는 폴리아미드 6(PA6) 매트릭스가 불연속/잘려진 탄소 섬유(25mm, 24K 토우)로 강화된 시트 형태 복합재입니다. 섬유 베드는 매우 잘 분포되어 있어 성형 방법에 따라 재료에 등방성을 부여합니다.

열가소성 매트릭스는 많은 이점을 제공합니다. 첫째, 열가소성 수지가 미리 중합된 상태로 공급되기 때문에 열경화성 수지보다 훨씬 빠르게 성형되며, 이는 도구에서 중합 및 가교됩니다. 그러나 사전 중합된 폴리머의 단점은 분자 사슬이 더 길고, 더 단단하고, 더 엉켜서 좋은 섬유질을 얻기가 더 어렵다는 것입니다. 따라서 섬유 부피 분율은 열경화성 수지보다 낮은 경향이 있습니다. 둘째, 열가소성 플라스틱은 또한 열경화성 수지보다 밀도가 낮아 경량화 기회에 기여하는 경향이 있습니다. 가장 중요한 것은 열가소성 수지가 도구에서 훨씬 더 나은 표면을 생성하여 종종 열경화성 복합 재료에 필요한 샌딩 및 페인팅과 같은 중요한 성형 후 마무리를 제거한다는 것입니다. 또한 PA6과 같은 "강력한" 폴리머는 자동차에 사용되는 열가소성 복합 재료의 가장 일반적인 매트릭스인 폴리프로필렌에 비해 열 성능을 확장하고 손상 저항을 높입니다. 또 다른 이점은 열가소성 찌꺼기/스크랩이 재료를 분쇄하고 동일한 수지 시스템을 사용하는 다른 공급 흐름에 투입함으로써 쉽게 재활용(용융 재처리)된다는 것입니다. 그러나 이렇게 하면 섬유 보강재가 단축됩니다.

물론 탄소 섬유는 유리 섬유보다 더 낮은 무게와 더 얇은 벽 섹션에서 더 높은 강성과 강도를 제공합니다. 그러나 충격 강도는 약간 희생되지만 수지 선택을 통해 향상될 수 있습니다. 더 무거운 토우는 더 미세한 항공우주 등급보다 저렴하며 일반적으로 모듈러스가 궁극적인 강도보다는 설계의 제한 요소인 자동차 산업에서 일반적으로 사용됩니다. 연속 섬유 보강이 아닌 촙드 보강재를 사용하면 극한 강도가 감소하지만 자동차 응용 분야에 적합 이상으로 유지되며 더 두꺼운 섹션을 통해 또는 형상(예:리빙)을 추가하거나 둘 다를 통해 향상될 수 있습니다. 보고된 바에 따르면, 두 가지 두께의 단일 등급의 Sereebo가 대부분의 픽업 박스 구성 요소를 성형하는 데 사용됩니다.

하이브리드 포밍

Sereebo는 한 번 예열되고 도구에 배치되지만 자연적인 등방성을 유지하기 위해 팀은 기존의 유리 매트 열가소성 수지(GMT), 직접 장섬유 열가소성 수지(D-LFT) 또는 SMC처럼 흐름을 형성하지 않습니다. . 오히려 흥미로운 하이브리드 성형 공정이 사용됩니다. RMPD(로봇 장착 예비 성형 장치)를 사용하여 수행한 혁신적인 예비 성형 단계와 "기존 압력"에서 압축 성형을 결합한 것입니다. RMPD는 성형되는 각 부품에 고유한 복잡한 end-of-arm 툴링으로 설명됩니다. 부품을 필요 이상으로 크게 성형한 다음 성형 후 최종 크기로 트리밍합니다.

Voss는 "Sereebo의 등방성 속성은 금의 무게만큼 가치가 있으므로 이러한 물질적 속성을 유지하는 프로세스를 만들었습니다."라고 말합니다. "그래도 구조적 측면 패널에서 14~16인치[36~41센티미터]의 그리기 깊이를 달성하고 있습니다. 재료"라고 덧붙였습니다.

CSP 프로그램 및 제품 개발 담당 엔지니어링 이사인 Steve Pelczarski는 "GMT 및 D-LFT와 같은 Sereebo 재료 금형은"라고 설명합니다. “그러나 우리는 수지와 UV 안정제를 모두 보호하는 선택인 예열 중 블랭크 온도를 제한하고 성형 직전에 프레스 위에 시트를 미리 성형함으로써 의도적으로 흐름을 낮게 유지합니다. 도구에 재료를 제공하기 전에 모양을 미리 형성하는 한 Sereebo에서 생성할 수 있는 그리기의 깊이와 기능은 끝이 없습니다.”

4개의 가장 큰 CarbonPro 부품인 헤드보드, 좌우 측면 패널, 플랫폼/바닥은 새로운 3,600미터톤 Dieffenbacher 프레스에서 빠른(5초 ) 2019 Chevrolet Silverado<가 있는 GM의 Fort Wayne 조립 공장(미국 인디애나주 Roanoke)에서 30분 거리에 있는 CSP의 미국 인디애나 헌팅턴 공장에서 열기/닫기 주기("CarbonPro 상자:새로운 성형 공정" 참조) /엠> 및 GMC 시에라 픽업이 조립됩니다. 버진 Sereebo와 일부 재활용 LFT(흐름을 향상시키기 위해 분쇄된 Sereebo 스크랩과 약간의 버진 PA6 사용)에 있는 몇 가지 더 작은 CarbonPro 부품은 더 작은 1,200미터톤 프레스 근처에서 압축 성형됩니다. 세 가지 하위 결합 단계가 크로스 카 실, 휠 웰 및 사이드 패널 모듈을 결합한 다음 이러한 하위 어셈블리가 최종 상자 조립이 발생하는 최종 메인 상자 결합 단계에서 함께 모입니다. 2액형 우레탄 구조용 접착제(미국 오하이오주 콜럼버스 소재 Ashland LLC의 Pliogrip 8500)가 전체적으로 사용됩니다.