PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT

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Renault . . . . . . . . . .MG, PR, YM le 12 avril 1976
Direction des Laboratoires
Service Matériaux et Produits Organiques (0854)

LES BOUCLIERS RENAULT

1 - LEUR ORIGINE

L'Antiquité et ses épopées retentissent du fracas des armes heurtant des boucliers. Comment ce dispositif de protection est-il venu s'insérer dans une des réalisations les plus évoluées des temps modernes: l'automobile? C'est une longue histoire que je vais brièvement vous raconter.

Elle commence à la Régie Renault entre 1955 et 1960 où les premières tentatives de fabrications industrielles de pièces en polyester renforcé de fibres de verre sont effectuées.

Ce sont des fabrications par moulage au contact de la Frégate Ondine, puis de l'Etoile Filante qui remporte 3 records mondiaux de vitesse, puis de l'autorail panoramique avec ses façades avant et arrière et son dôme panoramique long de 14 mètres pesant 850 kg.

Ce sont ensuite les fabrications par préforme des pavillons surélevés Estafette où la production s’élève à 125 pièces par jour, chaque pièce de longueur 3,72 m pesant environ 30 kg et, simultanément, la fabrication en premix d'un petit capot moteur pesant 2,5 kg pour ce même véhicule.

La recherche d'un procédé adapté à des séries importantes se poursuit et en 1967 nous abordons l’emploi des préimprégnés pour la fabrication d’une tablette arrière R4 pesant 2,4 kg. Une série de 50.000 pièces est moulée pour acquérir une expérience industrielle et les rebuts sont inférieur à 2%.

C'est à ce moment que nous opérons un rapprochement entre les possibilités nouvelles offertes par ce nouveau matériau et les frais croissants de réparations en clientèle dus à des collisions à faible vitesse.

En effet, les conditions de construction et d’utilisation des véhicules ont évolué: les premiers véhicules automobiles étaient munis de pare-chocs largement dimensionnés. L’évolution des styles, la recherche de lignes plus aérodynamiques assortie de la recherche de légèreté (Mathis a rendu une formule célèbre: le poids c'est l'ennemi!) ont conduit les constructeurs à dessiner des pièces de volume et de poids toujours plus réduits soulignant de plus en plus le rôle d’enjoliveur des pare-chocs en tôle chromée, au détriment de leurs performances.

Parallèlement, l'essor prodigieux de l'automobile s'est traduit par un trafic accru et des difficultés croissantes pour le stationnement ou pour le dégagement avec, pour corrélatif; un nombre plus important d’incidents mineurs occasionnant des coûts de réparation toujours plus élevés du fait du renchérissement de la main d’œuvre.

Il nous apparaît donc à cette époque qu’un pare-chocs moulé en préimprégné serait susceptible de fournir de meilleures prestations que celles de certains pare-chocs métalliques pour des prix acceptables, en raison de l’aptitude de ce matériau à subir des déformations élastiques plus importantes, avec récupération de l’aspect initial sans marquages locaux.

Le moulage permettant d’obtenir simultanément une partie de la jupe avant, il en résulte une pièce sans protubérances, telles que des crosses de pare-chocs. Elle ne présente donc aucun caractère offensif, mais une pure fonction de protection. Le bouclier Renault est né.

La production de série commence fin 1970 pour les voitures R15-R17 (photo N°1) La pièce fixée à l’arrière de la voiture pèse 5,8 kg. Elle est équipée de cataphotes et d’enjoliveurs. 1
En 1971 apparaissent les boucliers avant (photo N°2)et arrière R5 (photo N° 3)
La pièce avant pèse 3,7 kg, comporte des ouïes de ventilation et supporte les feux clignotants et la plaque de police.
La pièce arrière pèse 4,3 kg et les réflecteurs y sont incorporés.

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De nouvelles pièces apparaissent en 1976:
  • des boucliers avant et arrière pour voiture R14 qui pèsent respectivement 4,5 et 5 kg (photo N° 4 et photo N° 5),
  • des boucliers R5 en version spéciale pour USA, et Canada où le polyester est utilisé comme insert et enrobé de polyuréthanne (photo N° 6 et photo N° 6b),
  • une nouvelle génération de pièces venant compléter la protection de la voiture sur les parties latérales inférieures: les bandeaux de protection latérale R5 (photo N° 7)
    Trois pièces différentes sont fixées de chaque côté de la voiture et le poids total de préimprégné utilisé pour cette fonction est de 5 kg.

Toutes ces pièces sont réalisées à partir de résines polyesters orthophtaliques teintées dans la masse et elles sont grenées.

La production actuelle de boucliers est d'environ 5.000 pièces/jour avec des prévisions de 6.000 pièces/jour pour la fin de l'année.





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2 - LA RECHERCHE DE PERFORMANCES

Un premier Cahier des Charges est établi en 1967 et concerne la robustesse, l’absence de marquage aux petits chocs et l’impossibilité d’engagement au freinage sous le pare-chocs d’un véhicule adverse.

En ce qui concerne la robustesse, des essais comparatifs sont effectués avec des boucliers en plastique renforcé moulés au contact et avec des pare-chocs métalliques en projetant les voitures équipées à l’aide de ces pièces contre un véhicule chargé muni de butoirs.

Ces essais permettent de prendre conscience rapidement:

Une série d'essais est alors engagée au cours desquels ces divers paramètres sont étudiés systématiquement par des méthodes statiques et dynamiques. En particulier, des mesures de déformation sous charge pour la pièce fixée sur deux appuis sont réalisées et la photo N°8 montre l'éventail des résultats obtenus en agissant sur les raideurs de forme ou sur l'épaisseur. On remarque également comment se place un pare-chocs métallique d'un véhicule de série pris à l'époque pour comparaison.
L'optimisation des divers facteurs, y compris ceux ayant trait aux conditions de fabrication et de prix, nous permettent d’arrêter notre choix en 1969 sur un objectif de protection du véhicule lorsqu'il vient heurter un autre véhicule à l'arrêt à une vitesse de 6 à 7 km/h.

Depuis cette époque, les pouvoirs publics se sont préoccupés de la protection des véhicules contre les petits chocs et un projet de norme ISO prévoit une exigence de résistance au choc d’un pendule de poids équivalent à celui du véhicule venant frapper celui-ci à vide puis en charge à 4 km/h et de la même façon avec des chocs en coin à angle de 30° et à vitesse de 2,5 km/h.
Les boucliers moulés en préimprégné peuvent satisfaire ces exigences sans difficulté.

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3 - LE CHOIX DES MATERIAUX - ESSAIS EFFECTUES

Mais comment définir ces exigences et exprimer des limites satisfaisantes à la fois pour l'efficacité des résultats sur pièce et pour les possibilités de réalisation industrielles?
Ceci a fait l'objet de multiples travaux axés dans deux directions principales:

Ces travaux nous ont conduits à réaliser une machine expérimentale pour la production de préimprégné et à susciter parallèlement des recherches chez les principaux fabricants de préimprégnés ou de matières premières.
C'est ainsi que des centaines de formulations ont été évaluées tant sur éprouvettes en laboratoire, que sur pièces en atelier.
Ceci a permis d’aboutir à un Cahier des Charges pour les caractéristiques de la matière et à un Cahier des Charges de performance sur pièce.

Le Cahier des Charges matière précise:

Chaque produit proposé et agréé pour la fabrication fait l’objet d'une fiche de produit homologué (photo N° 9) où se retrouvent les caractéristiques à l'état de livraison et sur produit moulé. C'est la fiche d'identité du produit. Elle est complétée par la définition des tolérances relevées sur les principaux paramètres tels que module, flexion, choc, au cours de la vie industrielle du produit.
Ces travaux ont naturellement nécessité la mise au point corrélative de méthodes d’essais adaptées, qui ont été largement distribuées dans la profession et dont la plupart ont été reprises en comité de normalisation de l’AFNOR.

Nous citons simplement pour mémoire des essais de Laboratoire particuliers, tels que:

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En ce qui concerne les méthodes d’essais sur pièces, citons:

Par ailleurs, sont exprimées diverses exigences concernant l’aspect, la solidité de la teinte, la tenue aux agents de nettoyage et aux produits de conditionnement et de déconditionnement.

Le produit étant défini par les performances à satisfaire, voyons comment il est réalisé et mis en oeuvre.

4 - LA FABRICATION

Sans nous attarder sur les conditions de réalisation des préimprégnés, précisons simplement qu'il s'agit de produits à base de fibres coupées à 25 et 50 mm, à fort taux de verre (34 à 36 parties en poids) L’imprégnation est effectuée avec des résines de type orthophtalique pigmentées et la maturation est obtenue, soit par procédé continu permettant d'obtenir un produit directement de moulage en sortie de machine, soit par procédé discontinu nécessitant un délai pour l'évolution de la viscosité du préimprégné.
Le produit prêt à l’emploi est livré en containers de 4 bobines pesant chacune 400 kg et le grammage est en général de 6 kg/m², ce qui implique l'emploi de deux couches pour réaliser des boucliers d'épaisseur d'environ 4 à 5 mm.
Chaque livraison fait l’objet de prélèvements pour contrôle avant d'être délivrée à l’atelier de moulage.
Dans cet atelier, la séquence opératoire est la suivante:

Après démoulage:

Les pièces moulées passent alors dans l’atelier de finition ou sont pratiquées les opérations suivantes:

5 - LES MOYENS DE MISE EN OEUVRE (photo N° 19)

Les moyens de moulage nécessités par la réalisation des boucliers en grande série ont été mis en place progressivement à l’usine de Dreux à partir de 1970 et sont actuellement les suivants:

Presses

Ces presses hydrauliques ont une hauteur d’ouverture entre plateaux de 2,50 m et pèsent environ 150 tonnes. Leur vitesse de fermeture est réglable et peut dépasser 200 mm/sec.

Outillages

Les outils sont réalisés en acier chromé et sont chauffés à la vapeur qui est délivrée sous une pression d'une vingtaine de bars. Ils ont fait l’objet d’une étude poussée afin d’assurer une régulation précise de la température.

Ces outils, par exemple celui du bouclier R5 (photo N° 20), sont à double empreinte et desservis par des mouleurs placés de part et d’autre de la presse.

Les éléments mobiles qui assurent le détourage des ouïes d’aération nécessitent un nettoyage périodique et il est prévu une révision générale de chaque outil tous les deux ans.

Les outillages des divers boucliers actuellement fabriqués ont été entièrement étudiés et réalisés à la Régie Renault et pèsent chacun de 15 à 18 tonnes.

6 - LES BOUCLIERS COMPOSITES POLYESTER - POLYURETHANNE

Le désir d’exporter nos voitures R5 aux Etats Unis nous a conduits à adapter les boucliers aux exigences des normes américaines et, en particulier, de la norme de choc US 215, Selon cette norme, le bouclier monté sur voiture peut être soumis à six impacts successifs d’un pendule de forme donnée et de poids équivalent à celui du véhicule, selon deux hauteurs 16 et 20 pouces. Les impacts frontaux sont effectués à la vitesse de 8 km/h et deux chocs à 30° sont également prévus à environ 5 km/h ainsi qu’à un choc frontal voiture contre mur à 8 km/h.

Pour satisfaire à ces exigences, il est nécessaire de disposer d'un système permettant de réduire les efforts transmis à la caisse à une valeur compatible avec sa résistance afin de ne pas lui appliquer des déformations permanentes.

Nous avons pensé qu’il était possible d’utiliser le bouclier à deux fins: à la fois comme un élément recevant l’énergie appliquée et en absorbant une partie par déformation élastique et également comme un élément répartiteur capable de transférer l’autre partie d’énergie à des absorbeurs.

Etant donné le niveau des efforts mis en jeu, il a paru souhaitable de disposer un revêtement frontal un peu déformable évitant les surcharges locales. De plus, du fait du recul de la pièce lors du choc, il était nécessaire de réaliser une liaison souple avec la caisse, liaison désirée par ailleurs pour des raisons de style. Le bouclier polyester a donc été considéré comme un insert travaillant, à enrober entièrement de polyuréthanne expansé à peau autoformée.

Les absorbeurs ont également été réalisés dans une matière analogue.

Divers calculs et essais nous ont amenés à élaborer des exigences particulières pour ce type de pièces. Elles concernent une résistance en flexion accrue (600 daN pour l’avant et l'arrière au lieu de 500 daN pour l’avant et 450 daN pour l’arrière) et l’absence de cassure franche avant une flèche de 35 mm, clause exprimant l’aptitude de bouclier à se dégalber élastiquement pour se ramener à un plan lors du choc mur.

Cet accroissement des performances a pu être obtenu de deux manières différentes:

La première solution (photo N° 21) présente l’avantage d’une grande souplesse d’emploi: on apporte le renfort en quantité et en qualité voulues là où il est nécessaire et c’est ainsi qu’on peut localement faire passer la résistance de rupture en flexion de 220 à 600 MPa et la résilience volumique de 20 à 60 daN.cm/cm3 avec un module de 25000 MPa. Ces renforts, de grammage environ 4 kg/m² et contenant environ 48% de verre en poids, doivent naturellement être compatibles avec les préimprégnés polyester et pouvoir être polymérisés dans les mêmes conditions de température, de temps et de pression.

L'expérience a montré qu'ils donnaient pleinement satisfaction mais leur inconvénient est de nécessiter un supplément de préparation des ébauches.

La seconde solution consiste à réaliser un préimprégné dit de « seconde génération » comportant à la fois des fibres de roving coupé comme le préimprégné classique et des fibres continues incorporées au moment de la fabrication (photo N° 22) Nous avons en effet trouvé qu’il était possible, sans supplément de coûts mais moyennant certaines modifications de l'installation de préimprégné, de réaliser, à taux de verre identique, des produits à propriétés mécaniques fortement accrues dans le sens longitudinal sans perturber trop sensiblement les propriétés dans le sens transversal. Cette disposition est naturellement bien adaptée au mode de travail des boucliers dans lesquels les contraintes de tension longitudinales sont plus élevées que les contraintes de tension transversales lorsqu’ils sont soumis à des flexions.

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Les essais ont montré que la moulabilité d’un produit ainsi réalisé n’était pas sensiblement perturbée mais qu’au contraire on retirait des effets bénéfiques lorsque le renforcement continu se trouve placé au centre du préimprégné. En effet, de meilleurs états de surface sont obtenus lorsqu'on moule des préimprégné dont la partie centrale est constituée par un matériau fluant moins facilement que les couches périphériques. On évite ainsi les effets de "vagues".

I1 est naturellement possible d'ajuster le caractère anisotrope du produit ainsi réalisé en agissant sur les proportions relatives de filaments continus par rapport aux fibres coupées. Les valeurs retenues sont en général de 1 partie de fil continu pour 3 à 4 parties en poids de fil coupé et il en résulte les propriétés représentées au tableau (photo N° 23)

Par ailleurs, il a été proposé aux Etats Unis de réaliser des préimprégnés à forts taux de verre avec peu ou pas de charges. Les essais effectués montrent qu'effectivement il est possible d'obtenir des propriétés mécaniques élevées (photo N° 24) Pour les qualités de verre et de résine essayées, on constate que la résistance flexion croît de manière linéaire en fonction du taux de verre et atteint 350 MPa pour 65% de verre en poids. La résistance au choc croît d’abord de façon linéaire puis on constate l’apparition d’un maximum vers 42 daNcm/cm3, dû probablement à une imprégnation imparfaite des fibres. Les modules atteints sont élevés et de l’ordre de 20 000 MPa.

On constate toutefois des difficultés sur le plan de la moulabilité de ces produits et de leur aspect et les travaux devront être poursuivis tant du coté du verre que de celui de la résine.

On peut reprocher à ces formulations la suppression de l’élément peu coûteux que constituent les charges et il faut donc noter que l’emploi de préimprégnés de ce type risque de conduire à des coûts notablement plus élevés.

Enfin, pour terminer ce tour d'horizon sur la famille des boucliers, il peut être intéressant de dire quelques mots au sujet de leurs proches parents: les bandeaux de protection latérale.

7 - LES BANDEAUX DE PROTECTION LATERALE

Ces pièces équipent en série la R5 GTL pour apporter une protection homogène sur tout le pourtour de la voiture dans sa partie basse (photo N° 25)
Moulées avec les mêmes produits que ceux employés pour les boucliers, elles apportent une unité de matière, de couleur et de présentation.
Leur fonction consiste dans la protection des parois du véhicule qui sont souvent éraflées ou marquées par les petits incidents de la circulation: frottement de pare-chocs, de pédale de bicyclette, projection de pierre, etc.

Pour déterminer la zone à protéger par ces bandeaux, des études statistiques ont été effectuées sur des centaines de voitures en stationnement sur des parkings de magasins « Grandes Surfaces », ce qui a révélé l’importance du pourcentage de voitures atteintes par ces légers dommages. Les statistiques des compagnies d’assurance ne rendent évidemment pas compte totalement de ce phénomène car une bonne proportion de dommages ne sont pas déclarés lorsque l’auteur est inconnu.

Les performances de protection réalisées par les bandeaux ont été évaluées en Laboratoire par des essais de choc effectués avec un pendule octofilaire comportant un impacteur hémisphérique de diamètre 165 mm pesant 6,8 kg. On constate que, pour des chocs au milieu de la porte dans sa partie basse, on obtient sur tôle nue un marquage de diamètre 30 à 60 mm à 3,5 km/h correspondant à une énergie de 3,3 Joules alors que sur tôle protégée par un bandeau en polyester renforcé aucun marquage visible n'est constaté jusqu’à des vitesses d'impact de 7 à 8 km/h correspondant à un niveau d'énergie appliquée 4 à 5 fois plus élevé.

Les pièces sont moulées sur presses 300 T à l’aide de deux outillages comprenant chacun trois empreintes correspondant à un coté de la voiture (photo N° 26) L’épaisseur moyenne des pièces est de 2,5 mm et le cycle de moulage n’est que d’environ 2 minutes.

Après démoulage, les pièces sont disposées sur des montages de refroidissement aménagés dans un stockeur dynamique (photo N° 27)

Elles sont reprises ensuite pour les opérations d’ébavurage, de perçage et de fixation des inserts permettant le montage sur carrosserie. Ce montage est assuré à l’aide de barrettes métalliques protégées contre la corrosion et fixées par vis ou rivets dans les bossages venant de moulage. Les pièces sont montées par accrochage sur des clips fixés sur la caisse et par des vis Parker dans leur partie inférieure.



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8 - CONCLUSION

L’évolution de la technologie de mise en oeuvre des polyesters renforcés a permis d’exploiter de manière industrielle les possibilités intrinsèques de ce matériau, qui résident dans l’apport simultané de valeurs élevées du module, de la résistance en flexion et du choc.

L’emploi qui en a été fait pour les boucliers constitue un élément moteur important pour le développement de ces techniques dans les pays où sont montées des voitures R5 et dans ceux où elles le seront.

Des progrès restent néanmoins à faire dans la maîtrise des paramètres de fabrication, l’amélioration des propriétés et l’abaissement des coûts aux divers stades: matières premières, mise en oeuvre (où une certaine automatisation peut être imaginée) et finition afin de pallier l’inconvénient important d’investissements capacitaires élevés.

Le domaine des recherches demeure donc très ouvert pour la prospection d’idées nouvelles.

M. GOUPY

Ce texte en français correspond à l’exposé présenté en allemand à la conférence de l’AVK (Arbeitsgemeischaft Verstârke Kunstoffe) tenue à Freudenstadt (RFA) du 5 au 7 octobre 1976.
Document récupéré par Pierre ROUBINET et archivé sur le fichier Word 6 « boucgpy.doc» en décembre 1997.
Conversion en fichier htm + vignettes jpg, en décembre 2006.

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