GM CarbonPro复合货箱革新现代皮卡

谈及2019款短轴（双排座）GMC Sierra AT4（越野版）和 Sierra Denali半吨皮卡首发的CarbonPro碳纤维增强热塑性（CFRTP）复合货箱最具挑战性的方面，通用汽车（GM，美国密歇根底特律）先进结构复合材料与货箱工程组经理Mark Voss笑了。“最具挑战性的部分？”他问道。“项目每个环节都充满挑战。一切都是新的：新设计准则、新冲击和后防撞性能规格，还有新材料和工艺。设计过程每个阶段都曾面临挑战。但结果不言而喻：CarbonPro货箱是颠覆性的执行。”

团队协作

Voss曾负责Corvette 复合材料应用，深谙创新与说服管理层尝试新事物。2011年起，他参与初步谈判及后续与帝人（Teijin Ltd.，日本东京）的联合开发，旨在商业化帝人新开发的Sereebo CFRTP片材复合材料用于汽车（见“Sereebo CFRTP片材：‘拯救地球’”）。随后三年Voss称之为“学习周期”——试验评估、发现解决问题、再试验评估——团队才摸清材料行为及适用场景。2015年，他们锁定2019款Sierra Denali货箱作为Sereebo汽车首秀平台。

决策因素有四：一、规模经济，轻型卡车（皮卡和SUV）是北美增长最快、利润最高的乘用车细分市场。二、卡车采用非承载式车身，货箱非白车身一体部分，无需承受电泳涂装（E-coat）高温——即车辆制造初期施加于底盘部件的电泳防腐涂层。三、货箱位于乘员舱外，冲击测试和载荷工况比驾驶室结构轻微，是尝试新材料工艺的低风险位置。四、GMC客户普遍接受高科技与豪华兼备的技术，预期欢迎团队规划的独特功能。

Voss描述了使CarbonPro成真材料与工艺开发的“真正团队协作”。团队包括GM、帝人和模塑商Continental Structural Plastics（CSP，美国密歇根奥本山），后者2015年加入协助商业化GM与帝人联合开发的工艺并生产CarbonPro货箱。CSP 2017年被帝人收购，长期生产片状模塑料（SMC）复合货箱。

技术演进

Sereebo是片状复合材料，以聚酰胺6（PA6）为基体，增强不连续/切碎碳纤维（25毫米，24K束）。纤维分布极佳，赋予材料各向同性性能（视成型方式而定）。

热塑性基体带来多重优势。一、因预聚合供应，热塑性成型比热固性快得多，后者需在模具中聚合交联。预聚合聚合物的缺点是分子链更长、更刚、更缠结，难以获得良好纤维浸润，故纤维体积分数往往低于热固性。二、热塑性密度通常低于热固性，提供轻量化机会。最重要的是，热塑性脱模表面质量远优于热固性，免去热固性复合材料常需的大量后处理——如打磨喷漆。此外，PA6等“韧性”聚合物延伸热性能，比聚丙烯（汽车热塑性复合材料最常用基体）提升耐损性。另一优势是热塑性废料易回收（熔体重造），研磨后重新投入同树脂体系料流——虽会缩短纤维增强长度。

碳纤维比玻纤提供更高刚强度、更轻重量和更薄壁厚——虽牺牲少许冲击强度，可通过树脂选择改善。重纤维束比细纤维航天级更经济，汽车设计中模量常为限制因素而非极限强度。采用切碎而非连续纤维增强虽降低极限强度，但仍远超汽车应用需求，可通过增厚或添加几何特征（如筋条）或两者兼施改善。据报，单一牌号Sereebo两种厚度即可成型货箱大部分部件。

混合成型

虽Sereebo预热放入模具后会流动，但为保持天然各向同性，团队未像常规玻纤毡热塑性（GMT）、直接长纤维热塑性（D-LFT）或SMC那样流动成型。而是采用有趣的混合成型工艺：结合创新预成型步骤——使用机器人安装预成型装置（RMPD），随后在“常规压力”下压缩成型。RMPD被描述为复杂的末端执行工具，每个成型零件独有。零件成型尺寸大于所需——成型后修边至最终尺寸。

“Sereebo的各向同性性能价值连城，所以我们创造工艺保留这些材料特性，”Voss指出。“即便如此，我们在结构材料上仍实现侧板14-16英寸[36-41厘米]的拉深深度，”他补充。

“Sereebo成型类似GMT和D-LFT，”CSP项目与产品开发工程总监Steve Pelczarski解释。“但我们通过限制预热坯料温度有意保持低流动——此选择保护树脂和UV稳定剂——并在成型前预成型板料。只要预成型形状得当，Sereebo能实现的拉深深度和特征无限。”

CarbonPro四大件——前挡板、左右侧板、平台/地板——在CSP印第安纳州亨廷顿工厂新3600吨Dieffenbacher压机上成型，开合循环仅5秒（见“CarbonPro货箱：新成型工艺”），距GM韦恩堡装配厂（印第安纳州罗阿诺克）30分钟车程，后者生产2019款Chevrolet Silverado和GMC Sierra皮卡。数个小件——原生Sereebo及部分再生LFT（研磨Sereebo废料加部分原生PA6增强流动性）——在附近1200吨压机上压缩成型。三道副粘接工序连接横向门槛、轮罩和侧板模块，最后主箱粘接步骤完成最终装配。全程使用双组分聚氨酯结构胶（Ashland LLC Pliogrip 8500，美国俄亥俄哥伦布）。

“再生Sereebo用于左右桩孔保留75%性能，”Voss补充。“这是双赢，助力商业案例同时提升工艺可持续性。”视现场表现，GM和CSP计划将100% Sereebo废料在车内他处复用，实现零废料工艺。

CSP还生产玻纤/PP D-LFT压缩成型尾门盖、玻纤/PA6注塑轮罩总成和前填充板、玻纤增强环氧拉挤型材迷你门槛，以及四根横向门槛中的三根用Sereebo制造。

以客户为中心的功能

CarbonPro货箱还包含提升车辆及货舱功能的特殊设计（见“差异化特征”）。首先，货箱经证实极耐冲击（见下方视频），巨大功能优势免去货箱衬垫。不仅不生锈不凹陷，模内着色（MIC）黑色复合材料无需油漆涂层防刮耐候。

次，波纹地板结构设计投入大量心血。槽部采用浅纹理易冲洗污垢，波峰模制“防滑”激进纹理确保床面湿或多尘时仍稳固。前挡板专用摩托车袋和粘接系带（各承重227公斤）允许客户固定两辆越野摩托车于左右两侧，或中前部固定Harley-Davidson“Fat Boy”摩托。额外系带战略分布稳固各类货物。一体化灯照亮轮拱和尾门周围货箱内部（标准或六档Multipro尾门——见“差异化特征”）。

复合货箱在Sierra混合材料结构（铝、高强钢、轧制钢、复合材料和塑料）中发挥重要作用，较上代减重163公斤。