Allègement : le choix du multi-matériaux

Le 25 juin 2012

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Des enjeux d’allègement et la recherche de nouveaux matériaux

L’allègement est un enjeu clé pour la prochaine décennie de l’industrie automobile. La directive européenne plafonnant les émissions de CO2 entre en effet progressivement en application de 2012 à 2015 avec un seuil à 130 g, puis 95 g en 2020. Elle contraint ainsi les constructeurs à réduire les émissions de leur parc. Une taxe de 95 € par gramme au-delà de l’objectif sera appliquée pour ceux qui ne respectent pas le seuil. Le gain de poids, valorisé en économie de CO2 (1 g/km par 10 kg), va ainsi être un objectif prioritaire des projets des nouveaux véhicules. Les constructeurs annoncent une recherche de gain de l’ordre de 250 kg par véhicule et tous les composants seront mis à contribution. Les sièges d’une automobile représentent 60 à 80 kg et utilisent aujourd’hui des structures métalliques. La réduction de poids de ces structures en acier atteint une asymptote comme en témoigne Faurecia ; les solutions aluminium ou magnésium sont souvent incompatibles avec les objectifs de coût ou répondent mal au crash test. Les solutions composites pour des pièces de structures comme les sièges sont peu répandues ; elles sont confrontées à un besoin de mise au point d’outils de simulation numérique et de validation technique (pour répondre aux exigences de crash test). Faurecia a exploré une voie multi-matériaux pour la conception d’un nouveau siège, un siège hybride intégrant de l’acier et plusieurs composites.

 

Une approche multi matériaux associant simulation et expérimentation

L’objectif de l’étude menée avec BASF était pour Faurecia d’utiliser les possibilités de conception des matériaux composites pour concevoir un siège plus léger, plus fin et plus confortable. Le siège est une pièce structurelle devant répondre à des exigences sévères de crash tests imposant des capacités d’absorption, de déformation et de résistance à la rupture très contraignantes afin de protéger les passagers. Pour introduire des matériaux composites aux comportements mécaniques différents de l’acier, eux bien connus, une approche mixant simulations numériques et expérimentations a été mise en œuvre. Celle-ci a permis de déterminer les matériaux les plus appropriés et de valider leur tenue au crash test.

 

Les outils de simulation numérique utilisant les modèles thermoplastiques appliqués à une structure standard de siège en situation de crash test ont déterminé 3 zones de contraintes différentes. Pour chacune de ces zones, un matériau spécifique a été choisi pour son adéquation avec les exigences mécaniques simulées. L’idée a ainsi été de mettre le bon matériau au bon endroit :

Siège hybride Faurecia

  • Pour la zone de faible contrainte (1), un polyamide injecté renforcé de fibres de verre courtes a été choisi.
  • Pour la zone 2 de contrainte, un composite thermoplastique à fibres continues a été choisi. Il s’agit d’un composite mis en œuvre par thermo-estampage utilisant plusieurs couches de fibres unidirectionnelles et une résine polyamide.
  • Une zone de contrainte très forte (3) correspondant aux articulations pour lesquelles un acier à très haute limite d’élasticité a été choisi.

 

La simulation et les tests échelle 1 a permis de valider la conformité de chaque composant du produit final aux exigences des crash-tests. L’utilisation de différents outils de simulation pour chaque matériau a été nécessaire et leur mise au point aura finalement permis d’aboutir à une excellente corrélation entre crash test expérimental et calcul numérique.

 

Nouveaux procédés de fabrication

Au-delà de leurs qualités mécaniques, les technologies retenues doivent être compatibles avec les conditions de fabrication grande série de l’automobile, en particulier en termes de temps de cycle et de qualité. La technologie composite thermoplastique répond à ces critères de temps de cycle grâce au procédé de thermoformage et son intégration au sein d’îlots de fabrication robotisés. Plusieurs paramètres de surveillance du procédé de production ont été déterminés afin de garantir la qualité des produits en sortie de ligne.

Le montage final, réalisé en assemblant plusieurs pièces métalliques par emboîtage ou vissage pour les sièges traditionnels en structure métallique, laisse place dans ce nouveau procédé à une technique de surmoulage de l’ensemble des éléments dans une presse d’injection où tous les composants sont préalablement positionnés.

Le résultat final est un siège plus léger de 20%, plus fin, permettant un nouveau design grâce aux possibilités de l’injection et répondant aux exigences de résistance au crash test pour un prix de revient compatible avec les objectifs automobiles.

Entre des solutions entièrement métalliques arrivant en limite des possibilités d’allègement et des solutions tout composite onéreuses, les solutions multi-matériaux illustrées par l’étude de Faurecia et BASF montrent leur intérêt technico-économique. Les défis à lever sont néanmoins très importants, de la caractérisation des matériaux, à la mise au point d’outils de simulation numériques, et à la mise au point de procédés de fabrication compatibles avec les contraintes automobiles.

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