短切碳纤维、聚酰胺和创新重新定义了现代皮卡车床

当被问及 CarbonPro 碳纤维增强热塑性塑料 (CFRTP) 复合材料皮卡箱最具挑战性的方面时，该皮箱于 2019 年首次亮相短床（驾驶室）GMC Sierra AT4 （越野）和 Sierra Denali 半吨皮卡，通用汽车公司（美国密歇根州底特律通用汽车公司）高级结构复合材料和皮卡箱工程组经理 Mark Voss 笑着说。 “最 有挑战性的部分？”他问。 “这个项目的每个部分都充满挑战。一切都是新的：我们有新的设计标准、新的冲击和后挡板性能规格，而且我们有新的材料和工艺。设计过程的每个部分都曾是一个挑战。然而，结果不言自明：CarbonPro 盒子是改变游戏规则的执行。”

团队合作

Voss 之前曾为 Corvette 开发复合应用程序， 知道一两件事关于创新和谈论管理尝试新事物。从 2011 年开始，他参与了与 Teijin Ltd.（日本东京）的初步谈判和后来的联合开发工作，以将帝人当时新开发的 Sereebo CFRTP 板复合材料的汽车应用商业化（参见“Sereebo CFRTP 板：'拯救地球' ”）。 Voss 称之为“学习周期”的三年——运行试验和评估，发现和解决问题，然后运行更多的试验和评估——在团队成员觉得他们了解材料的行为方式以及在哪里使用它之前。那时他们开始为 Sereebo 的汽车行业首次亮相寻找应用程序和平台。到 2015 年，他们确定了 2019 年款 Sierra Denali 的皮卡箱 作为理想。

有很多因素导致了这个决定。首先是规模经济，因为轻型卡车（皮卡和运动型多功能车）是北美增长最快、利润最高的乘用车细分市场。其次，由于卡车使用框架式车身而不是硬壳式结构，因此盒子不是白车身的组成部分，因此它不需要热性能来承受 E-coat - 应用于底盘的电泳腐蚀涂层车辆制造开始时的组件。第三，由于箱子位于乘客舱外，冲击测试和负载情况将比驾驶室结构本身的测试和负载情况更轻，使其成为尝试新材料和新工艺的风险较低的地方。最后，由于 GMC 的客户普遍接受高科技和奢华的技术，因此预计他们会欢迎团队计划的所有独特功能。

Voss 描述了一种“真正的团队方法”，用于使 CarbonPro 成为现实的材料和工艺开发工作。该团队包括通用汽车、帝人公司和成型商 Continental Structural Plastics（CSP，美国密歇根州奥本山市），他们于 2015 年加入了这项工作，帮助通用汽车和帝人共同开发的工艺商业化并生产 CarbonPro 盒子。 CSP于2017年被帝人收购，在生产其他片状模塑料（SMC）复合皮卡箱方面有着悠久的历史。

不断发展的技术

Sereebo 是一种片状复合材料，采用不连续/短切碳纤维（25 毫米，24K 丝束）增强的聚酰胺 6 (PA6) 基体。纤维床被描述为分布非常好，根据其成型方式赋予材料各向同性。

热塑性基质提供了许多好处。首先，因为它们是预聚合的，热塑性塑料的成型速度比热固性塑料快得多，后者在工具中聚合和交联。然而，预聚合聚合物的缺点是分子链更长、更硬、更缠结，因此更难获得良好的纤维浸润。因此，纤维体积分数往往低于热固性塑料。其次，热塑性塑料的密度也往往低于热固性塑料，这为轻量化提供了机会。最重要的是，热塑性塑料可以从工具中生产出更好的表面，消除了热固性复合材料通常需要的重要的模具后精加工（例如打磨和喷漆）。此外，与聚丙烯（汽车中使用的热塑性复合材料最常见的基体）相比，像 PA6 这样的“坚韧”聚合物可扩展热性能并提高抗损伤性。另一个好处是，通过研磨材料并将其放入另一个具有相同树脂系统的进料流中，热塑性内脏/废料很容易回收（熔融再加工）——尽管这确实缩短了纤维增强材料。

当然，碳纤维比玻璃纤维具有更高的刚度和强度，重量更轻，壁更薄——尽管冲击强度的牺牲很小，但可以通过选择树脂来提高。较重的丝束比较细的航空级丝束更实惠，并且常用于汽车行业，其中模量通常是设计中的限制因素，而不是极限强度。通过使用短切纤维而不是连续纤维增强材料，极限强度会降低，但对于汽车应用来说仍然绰绰有余，并且可以通过更厚的部分或通过增加几何形状（例如，罗纹）或两者来改进。据报道，皮卡箱的大部分部件都使用一种具有两种厚度的单一等级的 Sereebo。

混合成型

尽管 Sereebo 在预热并放入工具中后会流动，但为了保持其自然各向同性，该团队并没有像传统的玻璃毡热塑性塑料 (GMT)、直接长纤维热塑性塑料 (D-LFT) 或 SMC 那样对其进行流动成型.相反，使用了有趣的混合成型工艺。它结合了使用机器人安装的预成型设备 (RMPD) 完成的创新预成型步骤，然后在“常规压力”下进行压缩成型。 RMPD 被描述为复杂的臂端工具，对于每个被模制的零件来说都是独一无二的。零件被模制得比需要的大——然后在模制后修整到最终尺寸。

“Sereebo 的各向同性特性与黄金一样重要，因此我们创建了一种工艺来保留这些材料特性，”Voss 指出。 “不过，我们在结构的侧板上实现了 14 到 16 英寸 [36 到 41 厘米] 的拉深深度 材料，”他补充道。

“Sereebo 材料模具如 GMT 和 D-LFT，”CSP 项目和产品开发工程总监 Steve Pelczarski 解释说。 “但是，我们通过在预热期间限制坯料温度（一种保护树脂和紫外线稳定剂的选择）以及在成型前在压机上预成型来故意保持低流动性。只要您在将材料呈现给工具之前预成型形状，您就可以在 Sereebo 中产生无限的绘图深度和特征。”

四个最大的 CarbonPro 部件——床头板、左右侧板和平台/地板——是在一台新的 3,600 公吨迪芬巴赫压机上以快速（5秒 ) 在 CSP 位于美国印第安纳州亨廷顿的工厂的开/关循环（参见“CarbonPro 盒：新成型工艺”），距离通用汽车公司的韦恩堡装配厂（美国印第安纳州罗阿诺克）30 分钟路程，其中 2019 Chevrolet Silverado 和 GMC Sierra 拾音器组装完毕。几个较小的 CarbonPro 部件——在原始 Sereebo 以及一些回收的 LFT 中（使用研磨的 Sereebo 废料加上一些原始 PA6 来增强流动性）——在附近的一个较小的 1,200 公吨压力机上压缩成型。三个子粘合步骤将横梁、轮舱和侧板模块连接起来，然后这些子组件在最后的主机箱粘合步骤中组合在一起，在那里进行最终的箱体组装。整个过程使用两部分聚氨酯结构粘合剂（来自美国俄亥俄州哥伦布市 Ashland LLC 的 Pliogrip 8500）。

“我们在回收的 Sereebo 中获得了 75% 的资产保留率，用于左和右权益口袋，”沃斯补充道。 “这是一个巨大的双赢，因为它有助于我们的商业案例，同时使流程更具可持续性。”根据后工业回收 (PIR) 零件在现场的情况，通用汽车和 CSP 计划将 100% 的 Sereebo 废料重新用于车辆其他地方，这将使新工艺零浪费。

CSP 还生产玻璃纤维/PP D-LFT 模压成型端盖、玻璃纤维/PA6 注塑轮罩组件和前填充板、玻璃纤维增​​强环氧树脂拉挤成型的迷你门槛，以及其中的三种位于 Sereebo 的 box 的四个交叉车门槛。

以客户为中心的功能

CarbonPro 盒还包括增强车辆及其货物空间的特殊功能（请参阅“区分功能”）。首先，该盒子已被证明具有令人难以置信的抗冲击性（请参阅下面的视频 )，这是一个巨大的功能优势，消除了对床单的需要。它不仅不会生锈或凹痕，而且彩色模压 (MIC) 黑色复合材料不需要油漆或涂层来保护它免受刮擦和风化。

其次，在设计波纹地板结构方面做了大量工作。水槽采用轻质质地，因此污垢和污垢很容易被冲走，而“抓地力”的侵略性质地被塑造成波峰，即使在床是湿的或多尘的情况下也能确保良好的稳定性。床头板上的特殊摩托车口袋和固定系绳（每个都能承受 227 公斤的负载）让客户可以在左右两侧固定两辆越野车，或在盒子的中央前部固定一辆哈雷戴维森“胖男孩”摩托车.额外的系紧装置被战略性地分布，以帮助稳定各种负载。一体式灯照亮挡泥板喇叭口和后挡板周围的箱体内部（标准或六位 Multipro — 请参阅“区分特征”）。

复合盒子在Sierra's中扮演着重要的角色 混合材料结构（结合铝、高强度和滚压成型钢，加上复合材料和塑料），使即将推出的型号减重 163 公斤。