PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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BD.PR 20/04/1999

LES MATERIAUX COMPOSITES DANS L’AUTOMOBILE

1- CHOIX DES MATERIAUX

Il est difficile de réaliser une pièce avec un autre matériau que celui pour lequel elle a été conçue. Les difficultés rencontrées sont à la fois techniques, économiques, et humaines.
Introduire des éléments en plastique sur une caisse automobile en tôle d'acier perturbe les circuits de fabrication et conduit à des exigences supérieures à celles du Cahier des Charges du produit final. Par exemple, il est souvent demandé que les pièces en plastique passent dans les mêmes installations de peinture que les pièces en acier et aient le même  aspect final. Cela implique donc qu'elles puissent séjourner dans des étuves à 180-200°C, alors qu'une tenue en service à 100-120°C serait suffisante.
En même temps on exige du plastique des surfaces parfaitement lisses, alors que l'on pourrait obtenir gratuitement un aspect décoratif venant de moulage.
Le choix des matériaux (c'est à dire matières + procédés) se fait de préférence au stade des avant-projets en collaboration avec les secteurs concernés (figure 1) Notons qu’à partir des années 90 les fournisseurs (producteurs de matières, mouleurs, équipementiers,...) ont été impliqués de plus en plus en amont dans les études. Parallèlement les constructeurs ont remplacé des fabrications internes par des fournitures extérieures.
Les comparaisons entre les différentes solutions possibles sont établies par fonction ou ensemble de fonctions. Les critères de choix principaux sont : le prix, les performances, le poids, l'aspect et la tenue en service. Il est également tenu compte des investissements, de l'évolution des techniques, de l'amélioration des conditions de travail, de la sécurité des approvisionnements, des répercussions sur l'environnement (recyclage des déchets et des épaves), etc.
Les matériaux nouveaux et leurs procédés de fabrication font l'objet d'études et d'essais préliminaires. Même si les résultats paraissent encourageants, il convient avant de s'engager dans une technologie nouvelle de ne pas sous-estimer les difficultés de démarrage et de vérifier qu'il existe un potentiel de progrès réalisables. C'est ainsi que la proportion de plastique entrant dans la fabrication des automobiles a pu croître régulièrement, pour atteindre maintenant de 10 à 15% de la masse totale (figure 2)
Pour élargir leurs champs d'applications, il est intéressant d'associer les plastiques à des fibres de renforcement, pour former des matériaux composites possédant des propriétés nouvelles.

figure 1

figure 2

2- AVANTAGES DES COMPOSITES

Les principaux avantages que présentent les composites sont les suivants:

  1. offrir une infinité de combinaisons dans le choix des constituants, de leurs proportions, et obtenir ainsi des matériaux "à la carte" pour chaque type d'application,
  2. permettre un allégement des éléments concernés,
  3. présenter une capacité d'absorption d'énergie en phase élastique supérieure à celle des métaux.

La possibilité d'intégrer plusieurs fonctions dans une même pièce moulable en une seule opération doit être exploitée au maximum pour être compétitif sur le plan des prix.
Il existe un éventail de procédés de fabrication qui permet de proportionner les investissements à l'importance de la série.

3- DES MATERIAUX " A LA CARTE "

Les matériaux composites qui se sont développés dans l'automobile sont principalement ceux constitués de matières plastiques associées à des fibres de verre. Les propriétés obtenues sont fonction de la disposition des fibres et de leur proportion en volume (figure 3)

figure 3

On distingue 3 grandes catégories de composites verre-résine :

  1. les prémélanges avec fibres courtes ( TPA, BMC,...) dont les propriétés mécaniques sont faibles (notamment la résistance au choc ), mais qui sont aptes au moulage de pièces complexes par injection (voir § 11) ;
  2. les stratifiés avec fibres longues ( SMC, TRE,...) adaptés au moulage par compression de pièces de grande surface et de faible épaisseur, avec de bonnes propriétés mécaniques (voir § 6 & 10) ;
  3. les composites unidirectionnels à hautes performances avec des fibres continues, moulables par enroulement, par pultrusion ou par compression.

La présence de fibres de verre réduit le coefficient de dilatation des plastiques (figure 4 ) et améliore leur tenue en température.

figure 4

Quand les fibres présentent une orientation préférentielle on peut remarquer que les propriétés sont anisotropes et il est important d'en tenir compte dans le calcul des pièces.
Plusieurs types de structure peuvent être associés pour réaliser une pièce optimisée en fonction des propriétés désirées. C'est le cas du préimprégné orienté à haute résilience (OHR) développé par RENAULT pour le moulage des boucliers (figure 5)

figure 5

 L'association de stratifiés et d'unidirectionnels (ex : SMC+RUP) est intéressante pour les pièces travaillantes à condition de maîtriser la proportion, la position et l'orientation des fibres.
Les composites offrent ainsi un nombre de combinaisons théoriquement infini, mais qui se trouve en fait très limité quand on fait l'inventaire des technologies actuellement applicables à l'automobile pour satisfaire à la fois les desiderata d'aspect, d’allégement, de performances, de qualité et de prix.

4- L'ALLEGEMENT DE LA CARROSSERIE

Un allégement de 70 kg sur l'ensemble caisse + châssis + équipements intérieurs et extérieurs, se traduit par un allégement du véhicule de 100 kg, si la mécanique (propulsion, liaison au sol,...) est modifiée en conséquence. La consommation de carburant est alors réduite de 0,3 à 0,5 l aux 100 km suivant le cas.
L’allégement ne doit évidemment pas compromettre les performances, la sécurité et le confort. Pour une bonne tenue en endurance il est notamment important de ne pas réduire la rigidité en torsion de la caisse.
Il est fréquent de comparer les matériaux à rigidité égale en flexion plane. Le remplacement d'une tôle d'acier par du plastique nécessite alors un accroissement d'épaisseur mais la masse volumique étant plus faible un allégement d'environ 1/3 parait possible comme le montre le tableau de la figure 6.

 

Module
d’élasticité
E
MPa

Masse
volumique
r
kg/dm
3

Epaisseur

e
mm

Masse
surfacique
m/S
kg/m²


Allègement

Acier

200 000

7,8

0,7

5,460

 
Copolymère EP
ABS
Préimprégné

1 000
2 000
10 000

0,9
1,05
1,8

4,1
3,25
1,9

3,690
3,415
3,420

32,5 %
37,5 %
37,5 %

 Aluminium

70 000

2,65

0,99

2,632

51,8 %

figure 6

L'aluminium permettrait un allégement plus important mais avec un prix 2 fois plus élevé.
Le magnésium et les composites carbone-époxy sont des matériaux légers dont les prix sont trop élevés pour entrer dans la fabrication d’éléments de carrosserie (sauf pour les véhicules sportifs ou militaires)
En fait les cas de pièces planes en monoparoi sont extrêmement rares en carrosserie automobile. Le moindre embouti fait sortir la fibre neutre de la tôle et confère une raideur importante à la pièce. La loi citée plus haut n'est plus valable, ainsi que dans le cas des caissons.
A encombrement égal il convient alors de comparer les modules spécifiques E/rhô (figure 7)

Matière

Epaisseur
e
mm

Module spécifique
E/
r
103 m².s-2

Tôle d’acier
Alliage d’aluminium

0,7
2

25640
26415

ABS
Préimprégné (SMC)
30% de verre

5,2
3

1905
5945

Figure 7

Une solution pour accroître la rigidité sans trop compromettre l’allégement consiste à grossir les épaisseurs et les sections seulement dans les zones les plus travaillantes. On peut également faire venir de moulage des nervures et des goussets.
Parmi les expériences effectuées sur des éléments de carrosserie citons celles concernant une porte de coffre (fig. 8) La solution SMC permet un allégement de 40 % sans perte de rigidité.
La solution monoparoi nervurée, séduisante par son apparente simplicité, entraîne une perte de raideur et des défauts d'aspect (retassures au droit des nervures)
Des essais effectués sur une aile avant ont permis d'évaluer le "surcoût" en fonction de l’allégement (figure 9)
Pour les véhicules fabriqués en petites ou moyennes séries (moins de 400 véh./jour) le choix des plastiques ou des composites permet de réduire les investissements et de raccourcir les délais.

figure 8

figure 9

Dans le groupe RENAULT citons les véhicules sportifs (ALPINE), de loisirs (ESPACE), utilitaires (EXPRESS), industriels (camions, cars et bus), et les tracteurs agricoles, où tout ou partie des éléments de carrosserie sont réalisés en stratifié fibres de verre-résine polyester.
La plupart des autres constructeurs sont arrivés aux mêmes choix.

Sur la fourgonnette EXPRESS (1985-90) il y avait deux applications de préimprégné polyester à retrait compensé (SMC Low Profile) :

  1. les portes battantes arrières constituées d'une peau extérieure en tôle d'acier et d'un caisson intérieur en SMC, l'ensemble étant collé et serti (figure 10),
  2. une trappe de pavillon appelée "girafon" en SMC double paroi.

fig10

Signalons le capot avant de la BX CITROEN qui était également en SMC Low Profile sur une partie de la gamme, et en tôle d’acier sur l’autre partie.

5- L'ALLEGEMENT DES ORGANES MECANIQUES

Mis à part l'objectif général d’allégement des véhicules pour réduire leur consommation en carburant, il est intéressant de diminuer la masse de certains organes mécaniques.
Par exemple, une réduction de la masse non suspendue améliore la qualité d'une suspension. C'est pourquoi des expériences sont réalisées avec des roues, des freins et des éléments de suspension en composites.
Un autre exemple qui concerne les moteurs est la réduction des forces d'inertie des pièces soumises à un mouvement alternatif :

Ces applications demandent la mise au point de composites adaptés à des conditions très sévères de fonctionnement.
Les composites fibres de carbone + matrice organique sont en compétition avec les composites métal + métal et les composites céramique + céramique. Pour le moment il s'agit de matériaux dont le niveau de prix élevé retardera leur application dans les véhicules de grande diffusion (figure 11)

figure 11

Dans le cas des véhicules à 4 roues motrices, il est intéressant de réaliser les arbres de transmission en composite. Il en résulte les avantages suivants :

Le premier véhicule de la gamme Renault à bénéficier de cette innovation est l'ESPACE QUADRA.

6- LES PARE-CHOCS ET BOUCLIERS

Dans le cas des lames de pare-chocs, l'intérêt du préimprégné verre-polyester (SMC) et des thermoplastiques renforcés estampables (voir § 10) est mis en évidence dans le tableau de la figure 12.

COMPARAISON ACIER <-> SMC EN PHASE ELASTIQUE

Matière

Masse
volumique
r
kg.m
-3

Limite
élastique
sR
MPa

Module
d’élasticité
E
MPa

Energie
spécifique
sR2 / 2rE
J.kg
-1

Tôle d’acier à dispersoïdes
D40 HSLA


7 700


500


200 000


80

Préimprégné Renault
standard boucliers
(35% de verre)


1 800


220


12 000


1 120

figure 12

Depuis 1970, la Régie Renault a développé les préimprégnés verre-polyester (SMC) avec les boucliers de R 17, R 5, R 14, FUEGO, MASTER (RVI), R 18, R 25, EXPRESS (1985-89), R 21 (lame avant), SAFRANE (lame avant) et ESPACE.

Les boucliers intègrent les fonctions : pare-chocs, jupe, spoiler, logement des feux, plaque de police, ouïes de refroidissement moteur, aérodynamique, et offrent une liberté de style inconnue auparavant.
Le SMC est principalement moulé par compression à la presse à chaud (figure 13)

fig13

Pour accroître les performances aux chocs des boucliers et autres éléments de protection, l'armature en verre E du préimprégné comporte, en plus des fibres coupées, des fils continus orientés dans le sens des plus grandes sollicitations (OHR) (figure 14)

figure 14

Quand l'architecture et le style du véhicule le permettent, d'autres concepts de bouclier en plastique peuvent être appliqués. Notamment celui consistant à disposer une façade déformable (en PP-EPDM ou RIM PUR) en appui sur des absorbeurs de chocs (en PEBD largement alvéolé ou en mousse semi-rigide)
Les boucliers des R9, R11, R21 (arrière), R19 (arrière), EXPRESS (90), CLIO (avant), SAFRANE, TWINGO (avant), LAGUNA,... sont ainsi conçus.

La plupart des véhicules français et étrangers, sont maintenant équipés de façades de bouclier en thermoplastiques injectés, celles-ci cachant des dispositifs d'absorption des chocs plus ou moins performants (des concepts ci-dessus décrits à la simple lame en acier déformée au premier petit choc)

7- LES RESSORTS DE SUSPENSION

On distingue deux grandes classes de ressorts de suspension (figure 15) :

  1. ceux travaillant en flexion,
    - ressorts monolames,
    - ressorts multilames,
  2. ceux travaillant en torsion,
    - barres de torsion,
    - ressorts hélicoïdaux.

figure 15

En flexion, l'avantage des composites unidirectionnels est certain. Surtout quand un ressort monolame en composite remplace un ressort multilame en acier.
En torsion, la solution composite consiste généralement à réaliser un tube avec la majorité des fibres enroulées à +/- 45°.
Sous cette forme, le composite absorbe moins d'énergie en phase élastique que l'acier, mais pour un même cahier des charges les géométries optima sont différentes, ce qui peut être intéressant dans certains cas.
Un train arrière comportant 4 tubes en composite à hautes performances a été expérimenté sur un véhicule Renault avec le concours de l'Aérospatiale.

En ce qui concerne le calcul des lames de ressort, nous avons mis au point un logiciel permettant à partir des propriétés mécaniques du composite et du Cahier des Charges de la pièce d'obtenir directement la géométrie de la lame optimum sur table traçante (figure 16)

figure 16

Le véhicule utilitaire TRAFIC T1300 a été choisi pour une expérimentation qui a duré deux ans.
Les résultats ayant été jugés satisfaisant, la solution a été reconduite sur le TRAFIC T1400.
Pour la fabrication en série, nous avons mis au point un procédé de compression à chaud à partir d'ébauches (figure 17)
Ces ébauches sont obtenues en assemblant plusieurs bandes de renforts unidirectionnels préimprégnés (RUP) verre-époxy.

fig17

La mise en forme est terminée par la fermeture de la presse, laquelle est pilotée par un microprocesseur.

A partir d'avril 1983 une dizaine de véhicules équipés de lames de ressort arrières en composite ont roulé sur tous les types de chaussée, sous tous les climats, sans qu'aucun incident sérieux n'ait été constaté.
En juillet 1985 la distance totale parcourue dépassait un million de km.
A partir de 1986 l'atelier pilote mis en place à l'usine de DREUX a fabriqué une centaine de lames par jour.
Au bout d’une dizaine d’années de confirmation de qualité et de rentabilité, cette fabrication a été transférée chez un équipementier.
La fabrication du TRAFIC a été arrêtée en 1997, mais on retrouve des lames de ressort AR en composite sur le nouveau MASTER.

Parallèlement les progrès accomplis en ce qui concerne :

permettent d'espérer une réduction des prix de revient ainsi qu'une plus grande liberté de dessin, et d'envisager ainsi des applications sur les véhicules de tourisme.

On note la présence de lames AV en composite sur la SMART sortie en 1998.

8- UTILISATION DES PROPRIETES THERMIQUES ET ACOUSTIQUES

Les circuits d'échappement des automobiles sont soumis à des agressions très sévères : haute température, corrosion interne (condensats), corrosion externe (projections), vibrations, chocs sur les chaussées déformées, etc.
Compte tenu de leur bonne tenue à la corrosion, il nous a semblé que les matériaux composites avaient des chances d'être compétitifs avec les aciers inoxydables. C'est ainsi qu'une étude exploratoire a été engagée.

Il existe des polymères résistant à des températures élevées tels que le polyétheréthercétone (PEEK) ou le polysulfure de phénylène (PPS), mais leur niveau de prix ne permet pas de les mettre en compétition avec l'acier inoxydable.
Compte tenu de son bon rapport performances/prix nous avons choisi une résine polyester isophtalique pour formuler un SMC "chaleur".
Le premier silencieux composite ayant donné satisfaction (essais 50 000 km sur une R 5 + 66 000 km sur une R 21 à moteur 2 litres) est représenté sur la figure 18.

figure 18

Des essais plus sévères ont par la suite été effectués sur les circuits d'échappement d'autres véhicules. Les résultats obtenus ont montré que le champ d'application des SMC "chaleur" pouvait être élargi.

L'accroissement du rendement des moteurs et la réduction du volume qui leur est imparti (aérodynamique, design,...) conduisent à des températures sous capot de plus en plus élevées, ce qui multiplie les besoins en écrans thermiques.
D'autre part, il est intéressant que les gaz d'échappement arrivent le plus chaud possible dans les pots catalytiques. L'isolation thermique des collecteurs et des descentes d'échappement est donc à l'ordre du jour.
Il est possible de mettre au point des composites adaptés à ces nouvelles applications. Les fibres et la matrice doivent être choisies en fonction de la température maximum à supporter. Des matrices inorganiques peuvent notamment être utilisées.

Les concepts doivent être revus de façon à bénéficier de tous les avantages offerts par ces matériaux nouveaux.

9- ABSORPTION D'ENERGIE PAR DESTRUCTION

Pour le constructeur automobile le comportement aux chocs des véhicules comprend trois volets :

  1. L'absorption des petits chocs dans le domaine élastique sans dommages apparents. Les composites présentent ici un avantage (voir § 3,4 et 6)
  2. L'absorption des grands chocs par destruction des parties avant ou arrière des véhicules de façon à conserver un espace de survie dans l'habitacle central.
  3. La non-fragmentation en débris agressifs pour les personnes situées à l'intérieur et à l'extérieur du véhicule.

Au-delà de la limite élastique, les composites verre-résine continuent d'absorber de l'énergie par délaminage, décohésion verre-résine, fissuration de la matrice, et rupture des fibres.

figure 19

Dans la mesure où ces différents types d'endommagement s'effectuent en cascade dans l'ordre ci-dessus, on obtient des résultats spectaculaires (ex : blindages, gilets pare-balles,...) Les ruptures par délaminage permettent de dissiper de l'énergie dans une large zone autour du point d'impact.
Ce comportement est obtenu avec des composites stratifiés ou unidirectionnels dont les liaisons entre fibres sont relativement faibles.

Des ruptures en cascade peuvent également être obtenues avec des composites comportant une armature hybride telle que stratifié + renfort unidirectionnel et/ou la juxtaposition de fibres différentes (ex : verre + carbone, carbone + aramide,...)
Les applications de ces matériaux dans l'automobile sont les pièces devant remplir une fonction de sécurité passive dans les chocs à grande vitesse telles que : absorbeur de choc frontal (figure 19), renfort de porte (figure 20), volant de direction, colonne et tube de direction, et dans le futur, des éléments de structure et pourquoi pas une structure complète où les zones fusibles seraient choisies.

figure 20

10- LES COMPOSITES A MATRICE THERMOPLASTIQUE

En principe toutes les catégories de composites (voir § 3) peuvent avoir une matrice thermodurcissable ou thermoplastique.
Jusqu'à présent les stratifiés et les unidirectionnels ont principalement été développés avec des résines thermodurcissables mais les composites à matrice thermoplastique commencent à arriver (figures 21 et 22)

Les Thermoplastiques Renforcés Estampables (TRE) apparaissent notamment comme des matériaux intéressants de développer car ils offrent de nombreux avantages communs aux préimprégnés polyester (SMC) tels que :

A ces qualités il convient d'ajouter celles propres aux thermoplastiques qui permettent entre autres :

Il reste toutefois à résoudre des problèmes d'état de surface.

fig.21

fig.22

11- LES PLASTIQUES RENFORCES DE FIBRES COURTES

Alors que les composites stratifiés (SMC, TRE,...), livrés en feuilles et moulés par compression, peuvent être qualifiés de matériaux de "tôlerie", les plastiques renforcés de fibres courtes (TPA, BMC,...), livrés en vrac et moulés par injection, sont plutôt des matériaux de "fonderie".
Les thermoplastiques armés (TPA) les plus utilisés dans l'automobile sont les polyamides avec fibres de verre, notamment le PA 6/6 30% fdv, protégé chaleur et hydrolyse;
Une plus forte proportion de fibres de verre rendrait les pièces trop fragiles au choc (voir figure 23)

fig23

Compte tenu de leurs bonnes tenues thermiques, mécanique et chimique, les principales applications des TPA sont situées dans le compartiment moteur :

Les prémélanges (compounds) polyester insaturé + charges + fibres de verre courtes (BMC) permettent de mouler des pièces présentant des qualités de stabilité dimensionnelle, d'isolation électrique et d'état de surface :

Les BMC étant fragiles au choc, il est déconseillé de les utiliser pour mouler des grands éléments extérieurs de carrosserie. D'autre part, leur masse volumique étant voisine de 2 kg/dm3 il faut comparer les prix des matériaux en Fr/dm3.

12- POINTS FAIBLES DES COMPOSITES

13- CONCLUSION

Sur le plan économique les plastiques et les fibres de renforcement sont plus chers que l'acier.
Toutefois, la possibilité d'intégrer plusieurs fonctions dans une même pièce moulable en une seule opération compense parfois ce handicap.

Les meilleures applications pour les plastiques en général, et les composites fibres-résine en particulier, sont celles où l'on utilise les propriétés propres à ces matériaux comme la capacité d'absorption d'énergie en phase élastique.

Pour chaque catégorie de composites, il existe un éventail de procédés de fabrication (figure 24) qui permet de proportionner les investissements à l'importance de la série. On trouve ainsi que des solutions composite et métal ont chacune leur zone de rentabilité.

Le perfectionnement des procédés connus, la recherche de fibres et de résines plus performantes, l'étude de technologies moins chères et plus fiables, devraient favoriser le développement des composites dans l'automobile (figure 25)

fig24

fig25

Bernard.DELACROIX                     Pierre.ROUBINET

Ce document a servi de support pour de nombreux exposés sur les composites dans l’automobile et pour des cours de formation continue à l’intérieur et à l’extérieur de Renault.
Dernière mise à jour en 1999.
Archivage PR sur le fichier word « composites99.doc » le 15 janvier 2004.
Conversion en fichier HTLM "composites99.htm" le 14 mars 2011.

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