PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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DE/DEMAT/0854 B.DELACROIX - P.ROUBINET Le 19 mai 1990

Protection des véhicules contre les chocs à faible vitesse Annexe2

LES POUTRES DE PARE-CHOCS EN COMPOSITE

1 - 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 de leurs répartitions, pour obtenir ainsi des matériaux "à la carte" adaptés à chaque type d'application,
  2. permettre un allègement 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.

2 - DES MATERIAUX " A LA CARTE "

Les matériaux composites en cours de développement 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 jointe)

On distingue trois grandes catégories de composites verre - résine :

  • 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;
  • les stratifiés avec fibres longues ( TRE, SMC,...) adaptés au moulage par compression de pièces de grande surface et de faible épaisseur, avec de bonnes propriétés mécaniques;
  • les composites à hautes performances avec des fibres continues unidirectionnelles, moulables par enroulement, par pultrusion ou par compression.

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.

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

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 (voir figure)

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'allègement, de performances, de qualité et de prix.

3 - LES PARE-CHOCS ET BOUCLIERS

Dans le cas des lames de pare-chocs, l'intérêt des composites comportant une armature en fibres de verre (SMC, TRE) est mis en évidence dans le tableau de comparaison avec l'acier (voir tableau)

Au-delà de la phase élastique l'acier continu d'absorber de l'énergie, mais avec des déformations permanentes. Quant aux composites, ils ont des comportements différents suivant qu'ils possèdent des renforts continus ou non (figure jointe)

En principe toutes les catégories de composites 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.

Les boucliers intègrent les fonctions : pare-chocs, jupe, spoiler, logement des feux, plaque de police, ouies de refroidissement moteur, aérodynamisme, et offrent une liberté de style inconnue auparavant.

4 - LES PREIMPREGNES VERRE-POLYESTER (SMC)

Depuis 1970, la Régie RENAULT a développé les préimprégnés verre polyester (SMC) avec les boucliers de R17, R5, R14, FUEGO, MASTER (RVI), R18, R25, EXPRESS et R21 (lame avant)
Le SMC est principalement moulé par compression à la presse à chaud (voir figure)

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) (voir figure)

L'amélioration des propriétés dans le sens long se fait plus ou moins au détriment de celles dans le sens travers (voir figure)

Des ruptures par cisaillement interlaminaire risquent de réduire les performances aux chocs si le taux de verre unidirectionnel est trop élevé. La proportion optimum est environ 1/5 de fibres continues orientées pour 4/5 de fibres coupées.

Les renforts continus doivent être disposés de préférence dans l'âme du préimprégné. Ils sont ainsi sollicités en traction ou en compression dans les poutres soumises à des chocs, sans générer de fissures superficielles dans les zones d'impact, lesquelles subissent des contraintes de flexion et de cisaillement localisées.

L'association de stratifiés et d'unidirectionnels (ex: SMC+RUP) est intéressante pour les pièces travaillantes, et notamment pour les poutres de pare-chocs (R25 USA, ALPINE GTA USA, AV R21 USA, AV R21 Europe), à condition de maîtriser la proportion, la position et l'orientation des fibres. Cette maîtrise est obtenue en adaptant la conception des moules à cette nouvelle technique (voir figure)

5 - LES COMPOSITES A MATRICE THERMOPLASTIQUE

Les Thermoplastiques Renforcés Estampables (TRE) apparaissent comme des matériaux intéressant 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:

I1 reste toutefois à résoudre des problèmes d'état de surface.

La mise en oeuvre des TRE s'apparente à celle des SMC. Au lieu d'introduire de la matière froide dans un moule chaud, c'est de la matière chaude qui est introduite dans un moule froid (voir figure) (la notion froid chaud étant toute relative)
La pression de moulage est environ deux fois plus élevée, mais le temps de cycle est deux fois plus court.

I1 existe des poutres de pare-chocs en TRE sur quelques véhicules:

Les essais effectués chez RENAULT ont montré que pour obtenir des performances aux chocs équivalentes aux SMC, il fallait accroître les épaisseurs (voir exemple: AV54),(voir comparaison des propriétés mécaniques).

6 - CAS DES COMPOSITES A HAUTES PERFORMANCES (HP)

Pour que des composites présentent de hautes performances il faut réunir les conditions suivantes:

Les procédés permettant de réaliser des pièces en composites HP sont principalement:

Ceux marqués d'un astérisque sont applicables à la grande série.

6.1 - LE DRAPAGE

Dans le procédé de moulage au contact, les opérations d'imprégnation, de drapage, et de compactage (débullage), sont faites simultanément.
Mais quand on utilise des renforts préimprégnés, le moulage n'est plus que du drapage et du compactage.

Le drapage se fait généralement dans un moule femelle en évitant la formation de plis.

Le compactage consiste à tirer le vide entre le moule et une membrane déformable ("moulage au sac")
Le dégazage peut être amélioré par l'interposition d'un tissu de drainage entre le composite et la membrane formant contremoule.

La polymérisation en autoclave permet d'appliquer une pression plus élevée (3 à 15 bars) et de programmer la température.

Cette technique performante, utilisée dans l'aviation, est trop chère pour l'automobile.

6.2 - L'ENROULEMENT FILAMENTAIRE

C'est un procédé utilisé principalement pour le moulage de corps creux tels que des enveloppes de fusée, des citernes, des silos, et des tuyaux de grand diamètre. I1 consiste à enrouler des mèches de fibres imprégnées de résine autour d'un mandrin représentant la forme intérieure de la pièce.
Après cuisson, il faut extraire le mandrin qui est récupérable (mandrin démontable) ou perdu (mandrin en matière fusible, soluble ou friable)

I1 existe des machines perfectionnées permettant l'enroulement de mèches préimprégnées, suivant un programme préétabli, avec un contrôle de la tension des filaments.

Nous avons pu réaliser des lames de pare-chocs et des poutres de sécurité expérimentales par enroulement à la main.
Voir photo : Insert en enroulement filamentaire dans mousse PU tenant aux chocs à 15 km/h ------>

6.3 - LA PULTRUSION

La pultrusion est un procédé de fabrication en continu de profilés en composite (voir figure)

Le principe en est le suivant:

Les matières les plus utilisées sont les fibres de verre et les résines polyesters insaturées.
Les fibres de carbone et les résines époxydes (ainsi que d'autres matières à hautes propriétés et à niveau de prix élevé) sont réservées aux rares applications où le bénéfice de l'allègement est suffisamment important.

Des recherches concernant le procédé (pultrusion courbe, pultrusion thermoplastique) et des expériences d'applications automobiles (pare-chocs, renforts de porte, tubes absorbeurs d'énergie, cornières de batterie, traverses) ont été effectuées avec succès, mais n'ont pas été suivies de développement (liberté de dessin très limitée)

Les résultats les plus spectaculaires ont été obtenus sur les poutres de pare-chocs AR R18 USA et AR FUEGO USA.
Voir photo : Essai sur AR Fuego USA d'une poutre pultrudée tenant aux chocs à 8 km/h. ----->

L'effort de début rupture, suivant l'essai de flexion (ME 1230) appliqué habituellement sur les pare-chocs et boucliers, a presque atteint 4000 daN avec les poutres pultrudées, tandis qu'il reste au-dessous de 1000 daN avec les boucliers en SMC.

6.4 - LA COMPRESSION SUR RUP

Pour la fabrication en série de lames de ressort en composite, nous avons mis au point un procédé de compression à chaud à partir d'ébauches.

Outre des lames de ressorts, nous avons réalisé des bras de roue, et des renforts de porte, selon ce procédé.

Des poutres renforts de pare-chocs compactes pourraient être également ainsi fabriquées. Dans ce cas le programme de calcul "LAME" serait applicable.

7 - DIFFERENTS TYPES D'ENDOMMAGEMENT

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 plastiques et les composites présentent ici un avantage.
  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 (donc pas de BMC dont la rupture est du type fragile).

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.

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 fibres/matrice sont relativement faibles.

Des ruptures en cascade peuvent également être obtenues avec des composites comportant une armature hybride telle que stratifié + renfort unidirectionnel (SMC-OHR, SMC+RUP, pultrudés) 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 (R5 ALPINE Turbo), renfort de porte, 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.

La rupture par cisaillement se rencontre quand le bouclier repose sur des contrelames métalliques rigides disposées dans la zone d'impact au lieu d'absorbeurs (exemple: modification sur AV et AR R18)

En ce qui concerne les boucliers en SMC, les différents types d'endommagement rencontrés après des chocs plus ou moins violents sont représentés sur la figure ci-jointe ----->
. C'est la rupture par traction du bord supérieur qui est la moins acceptable. Pour l'éviter il est important:

  • de bien calculer le bouclier,
  • d'utiliser un composite renforcé longitudinalement (SMC/OHR ou SMC+RUP),
  • d'optimiser les conditions de moulage (taux de recouvrement de l'ébauche > 50 %, maîtrise du positionnement, pas de contre fluage vers le centre,...)

Les autres types d'endommagements sont progressifs, en absorbant beaucoup d'énergie. Ils peuvent faire l'objet de retouches d'aspect le cas échéant.

8 - POTENTIEL D'AMELIORATIONS

Dans le cas des poutres de pare-chocs en SMC ou TRE dissimulées derrières des façades de boucliers souples, les problèmes d'aspect et de vieillissement sont moins importants.
I1 est donc possible d'augmenter le taux de fibres continues unidirectionnelles (accroissement des performances ou réduction des épaisseurs), et de réduire certains adjuvants chers (pigments, anti-UV,...)

En ce qui concerne les SMC, l'augmentation de la longueur des fibres coupées (50 mm au lieu de 25) et le choix d'un ensimage peu soluble, améliorent les propriétés mécaniques. La baisse de moulabilité est avantageusement compensée par un plus grand taux de recouvrement (0,55<Sf/Sp<0,7)

I1 a été démontré, lors d'une campagne de moulage de boucliers AV R5 USA à DREUX, qu'en aménageant les tables de préparation des ébauches (drageoirs, poinçonnage de trous pilotes,...) et les moules (éjecteurs en position haute pendant le chargement), on obtenait une meilleure maîtrise du positionnement des ébauches.
Cette technique devrait être associée à un chargement automatique de la matière dans les moules, afin d'assurer une meilleure reproductibilité et une réduction du taux de pièces loupées (plus de glissement accidentel d'ébauche pendant la fermeture)

L'espoir d'obtenir une meilleure maîtrise de la matière et du process permet d'envisager une réduction du temps de cycle sous presse:

Exemple: Poutre AV X48 ph2 (ép.4 à l0mm) 1989 1990 1991
- durée du cycle de moulage
- dont cuisson presse fermée
150 s
90 s
110 s
80 s
90 s
70 s

Un nouvel accroissement de productivité sera enregistré quand les presses seront enfin pilotées par un logiciel d'Auto Contrôle de la Cuisson (ACC, brevet RENAULT déjà expérimenté à plusieurs reprise avec succès à DREUX depuis une vingtaine d'années)

Le TRE devrait également bénéficier d'améliorations comparables à celles des SMC (actions plan R)

P. ROUBINET                        B. DELACROIX

Archivage PR : fichier World 2000 « ProtectChAnx2.doc », avril 2002
Conversion en fichier HTLM en avril 2012

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