Le pari de l'intégration des composites dans les structures des véhicules de série

Le 24 juin 2014

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La réduction de masse est devenue une priorité pour tous les constructeurs, à tel point que les derniers modèles affichent des gains significatifs. Les meilleurs arrivent même à dépasser le quintal, et les solutions sont très variées. Comment sont utilisés les composites, notamment dans les pièces de structure ?

L'allègement des véhicules, une tendance de fond permise par les nouvelles technologies de matériaux


L’allègement des véhicules devient un des défis majeur de l’automobile pour les prochaines années, provoqué par la réduction des émissions polluantes -avec des normes réglementaires de plus en plus sévères ; d'ici 2020, le parc de voitures neuves vendues devra émettre 95g de C02 par km- et le prix élevé et durable de l’énergie fossile.


L’introduction de nouvelles technologies d’allègement est devenue incontournable pour inverser la tendance d’accroissement de la masse des véhicules. Les aciers à haute limite d’élasticité, l’aluminium, vont être de plus en plus utilisés mais les matériaux composites apparaissent déjà comme une solution permettant une rupture d’allègement que les matériaux métalliques ne permettent pas (200kg de gain sur un véhicule). Les matériaux composites ne seront plus uniquement utilisés comme pièces d’habillage mais également comme pièces de structure.

Pour des raisons de gain de masse et d’économies de matières, l’industrie automobile a depuis longtemps utilisé des matériaux composites, majoritairement dans des pièces d’équipement et d’aspect, de type matrice polyester/fibre de verre (composites à matrice thermodurcissable). Ces utilisations à grande échelle étaient limitées au périmètre non structurel de la voiture à cause de limites de résistance mécanique et de coûts pièces (rappel du coût matériaux Auto : 1 à 5€/kg). NB : Des pièces structurelles ou de carrosserie en plastique/composites ont également été produites en série quand les coûts de l’acier étaient prohibitifs : Berlinette Alpine (polyester/fibre de verre), Trabant 601 (carrosserie thermodurcissable renforcée fibres de coton), la BX Citroën (hayon arrière injecté en résine polyester renforcée fibres de verre en 1982).

Enfin, dans domaine de la compétition automobile l’utilisation de la fibre de carbone est répandue.

Quelques repères:

  • Les composites autorisent théoriquement une réduction de masse pouvant atteindre 40% sur l'ensemble d'un véhicule.
  • Gain lié à l’allègement : 11 Kg de gain matière équivaut à 1 g CO2/km d’économisé.
  • Exemples de gains de masse ciblés (pour PSA et Renault) : gain de masse 2015 > -110 kg  et gain de masse 2020/25 > - 250 kg

 

Les acquis en composites : des pièces d’équipements et semi-structurelles

TD : thermodurcissable
TP : thermoplastique

Aujourd’hui, dans l’automobile, les pièces fabriquées en composites le sont dans le périmètre des équipements (intérieurs / extérieurs) avec des plastiques renforcés (Façade avant, Corps de planche de bord), mais plus récemment dans le périmètre semi-structurel de la voiture avec l’intégration de solutions composites plastique/acier, dans les hayons, par exemple (composites TP/TP/acier et TP/TD) ou dans le plancher de charge arrière en TD/acier, permettant des gains de poids de 30 à 40 %. Les composites thermoplastiques sont de plus en plus utilisés, pour des questions de recyclabilité et de possibilités de transformation.

Exemples : le hayon de la nouvelle CITROEN C4 PICASSO permet ainsi 30% de gain de masse.

A venir : les pièces structurelles et la carrosserie en composite, à grande échelle et à coûts maitrisés

Plusieurs constructeurs ont d’ores et déjà franchi le pas, que ce soit BMW avec la structure de la BMW i3 électrique composée d’un châssis en aluminium et d’une coque fibre de carbone réalisée par un assemblage collé de pièces thermoformées, ou bien Audi avec le concept de Space Frame alliant acier et aluminium qui évolue vers une architecture alliant plastique renforcé de fibre de carbone, fibre de verre et aluminium. Dans le cadre du programme national de filière « Véhicule 2l » est fabriquée la PEUGEOT 208 FE qui présente 20 % d’allègement grâce à l’utilisation de matériaux composites novateurs :  l’utilisation de l’aluminium et du carbone pour la carrosserie et le plancher et une lame composite en résine et fibre de verre pour le châssis.

Mais l’incorporation massive de composites pour des pièces structurelles est une révolution pour la fabrication série. C’est en effet toute la chaîne de conception – industrialisation - fabrication - recyclage qui est impactée (voir ci-dessous). BMW Group est aujourd’hui le seul constructeur automobile à disposer du savoir-faire requis pour utiliser le polymère à renfort fibre de carbone (PRFC) dans la construction de grande série.

 

révolution

source: PSA

En effet, l’originalité des matériaux composites est de créer simultanément la pièce et la matière qui la compose, un processus souvent manuel et long du fait des multiples étapes nécessaires, plus adapté à la production unitaire qu’à la grande série. D’où de très nombreuses recherches menées actuellement pour aller vers une automatisation des process de production autorisant des cadences compatibles avec celles de l’automobile pouvant aller jusqu’à plusieurs milliers d’exemplaires par jour pour un véhicule de grande diffusion.

Autre chantier : les technologies d’assemblage multi-matériaux et de collage des composites ne respectent pas encore les cadences de production automobile (objectif : 1min/veh ; aujourd’hui 7/8 min/veh ;).

Ainsi, pour les composites structurels, le coût de production est un véritable enjeu:

 

cout de production

 source: PSA

Des projets industriels de R&D

Un projet de ligne de fabrication haute cadence de composites pour l’automobile : initiée par le Cetim, le Cemcat et l’IRT Jules Verne, cette ligne de fabrication de pièces hybrides multi-matériaux doit permettre de passer directement de la fibre à la pièce finie sans reprise d’usinage et donc sans perte de matière. Le nouveau procédé doit permettre d’assurer une capacité de transformation composite de 3 kg par minute (Exemples de pièces finies: pièces creuses (pare-chocs), éléments de chassis, sièges de voiture, triangle de suspension, roues, éléments de boîte de vitesse, pivots de siège, pédale de frein)

Excelcar : Dans le cadre ministériel du plan « Usine du Futur »,  une ligne pilote de production de matériaux composites verra le jour sur le site de PSA à Rennes afin de travailler sur les carrosseries, les assemblages multimatériaux mais aussi les pièces structurelles.

3DMAT : Plateforme de prototypage virtuelle des nouvelles architectures multi-matériaux et de leur assemblage dans l’automobile. Issu d’une réflexion menée par un consortium ESI Group / PSA / Renault, 3DMAT,  le projet réunit laboratoires et entreprises expertes en modélisation afin de développer une filière de prototypage virtuel autour des nouvelles architectures véhicules multimatériaux. L’ambition étant de faire de 3DMAT un pôle de compétences dans ce domaine référent au niveau national, voire européen.

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