PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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LA PULTRUSION COURBE

1. PRINCIPE

La pultrusion est un procédé de fabrication en continu de profilés en composites fibres-matrice organique.

Le principe en est le suivant (figure 1) :

figure 1

2. COMPOSITION

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 niveaux de prix élevés) sont réservées aux rares applications où le bénéfice de l'allégement est suffisamment important (exemple : les aiguilles fabriquées par la SNPE pour les machines à tisser)

3. HISTORIQUE

Le procédé de pultrusion, déjà ancien, a trouvé des applications principalement dans l'isolation électrique, l'anticorrosion et le bâtiment mais pas dans l'automobile. Or, les propriétés mécaniques des matériaux obtenus sont relativement élevées, notamment la capacité d'absorption d'énergie par déformation élastique. D'où l'idée de pare-chocs pultrudés qui a été expérimentée et breveté par la Régie RENAULT en 1973.

II était apparu alors que, pour s'adapter plus facilement à l'architecture et au style de la plupart des véhicules, il fallait disposer de profilés courbes. Des lames galbées ont donc été moulées selon un procédé semi-manuel simulant la pultrusion courbe (photo 2) Ces lames ont été surmoulées de mousse polyuréthanne à peau autoformée de façon à constituer des boucliers arrière R5 modèle USA. Le comportement aux chocs à 8 km/h a été jugé satisfaisant.

photo 2

Toutefois, cette solution est restée en sommeil plusieurs années jusqu'à ce que les conditions favorables à une expérimentation industrielle soient réunies.

4. PROGRAMME DES TRAVAUX

 C'est dans le cadre du plan de Recherches financé par la direction des Affaires Scientifiques et Techniques de la Régie RENAULT que les travaux concernant la pultrusion courbe ont pu être menés à bien.

La Société GRILLO (RFA), possédant une certaine avance technique en Europe dans le domaine de la pultrusion droite, a été choisie comme partenaire.

Une lame de pare-chocs de type USA d'un rayon de courbure de 5 mètres a été adoptée comme première pièce expérimentale.

Les calculs, les dessins et les essais ont été effectués à la Régie RENAULT. Notamment la nature et la disposition des renforts constituant l'armature en fibres de verre ont été prévues en fonction du mode de sollicitation (traction, compression, flexion ou cisaillement) de chaque zone considérée (figure 3)

Des lames de pare-chocs ont d'abord été réalisées en pultrusion droite, ce qui a permis de vérifier l'influence de différents paramètres (composition, conditions de fabrication,...) sur leur comportement en flexions statique et dynamique

Nous avons également examiné des profilés droits remis par les Stés FERRETTITE et SAINT-GOBAIN VETROTEX.

figure 3

 

5. PERSPECTIVES D’ACCROISSEMENT DE PRODUCTIVITEE

Avant de s'engager dans une technologie nouvelle il est important d'évaluer le potentiel d'améliorations possibles.
Ainsi, pour connaître les possibilités d'accroissement des vitesses de pultrusion, nous avons étudié l'influence de différents paramètres sur la durée minimale des composites verre polyester (AFNOR)

Les essais ont d'abord été effectués dans le moule de disque diamètre 180 mm avec du mat de verre imprégné au moulage et enregistrement de l'évolution de la température du matériau (figure 4) Le taux de verre était de 60% en poids. Pour obtenir une cuisson rapide sans craquelures nous avons sélectionné une résine à retrait compensé.

figure 4

Nous avons étudié ensuite les influences :

 
figure 5   figure 6

La capacité de production d'un banc de pultrusion est fonction du nombre de filières disposées en parallèle et de la vitesse de tirage. Théoriquement on peut prévoir la vitesse de pultrusion en appliquant la relation :

vp = L / dm e

Pratiquement on réalise des vitesses de pultrusion supérieures quand la forme du profil permet que la cuisson à cœeur se termine en aval de la filière.

En cas de développement dans l'automobile on peut donc espérer un accroissement de productivité de ce procédé.

 

6. CONFORMITÉ DIMENSIONNELLE

Les variations de dimensions et de formes sont prévisibles par la connaissance des coefficients de dilatation du composite (figure 7)

figure 7

On peut ainsi calculer :

figure 8

Dans le cas d'un stratifié, le retrait transversal est toujours plus élevé que le retrait longitudinal, la contraction thermique n'est donc pas homothétique. Ceci entraîne une légère fermeture de tous les angles d'un profilé (figure 9)

figure 9

7. PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES

7.1. CHOIX DE LA PÂTE D'IMPRÉGNATION

L'examen d'échantillons pultrudés commerciaux a fait apparaître que les propriétés mécaniques étaient inférieures à celles que l'on était en droit d'attendre compte tenu du taux et de l'orientation des fibres de verre. L'analyse nous a révélé la présence d'oxyde de titane dont la nocivité avait déjà été mise en évidence dans une étude antérieure sur les boucliers moulés en préimprégné polyester.

Un nouvel essai nous a confirmé que la suppression de l'oxyde de titane fait gagner 20 % en flexion et 50 % au choc (figures 10 et 11)

 

figure 10

 

figure 11

Suivant les cas les formulations seront ajustées dans les intervalles ci-dessous :

 7.2. INFLUENCE DE L'ARMATURE EN FIBRES DE VERRE

Un des grands avantage de la pultrusion est de pouvoir optimiser l'armature d'un profilé en adaptant le taux et l'orientation des fibres de verre à chaque zone en fonction de son mode de sollicitation.

Les types de renfort les plus utilisés sont :

Les propriétés mécaniques sont supérieures à ce que l'on obtient avec les préimprégnés polyester moulés par compression (figure 12)

figure 12

8. CALCUL DES PARE-CHOCS

Les pare-chocs sont calculés en fonction :

L'énergie cinétique correspondant à chaque type de choc sera absorbée par la déformation du pare-chocs et de son dispositif de liaison avec la caisse.

Dans le cas des véhicules destinés aux Etats-Unis cette liaison est assurée par deux absorbeurs hydrauliques. Le rôle de la lame de pare-chocs est de reporter sur les absorbeurs les efforts résultants des impacts, sans casser, ni fléchir plus que ne l'autorise la garde du véhicule.

Un profil de lame pultrudée a ainsi été calculé (figure 13)

figure 13

 

9. LAME DE PARE-CHOCS PULTRUDEE DROITE

Les essais préliminaires en pultrusion droite ont permis de vérifier les calculs et de tester plusieurs compositions d'armature en fibres de verre.

Des chocs à 8 km/h suivant la norme américaine FMVSS 215 partie 581 ont été effectués sur des lames droites montées sur l'arrière d'une R 18 USA (photo 14) puis sur l'arrière d'une FUEGO USA (photo 15)

On a pu ainsi vérifier que le rapport performances aux chocs/poids était de 2 à 3 fois plus élevé avec une lame pultrudée qu'avec une lame en acier.

 
photo 14   photo 15

10. LAME DE PARE-CHOCS PULTRUDEE COURBE

La réalisation de la filière courbe a posé quelques problèmes car les tolérances d'usinage exigées par le procédé (± 0,03 mm le long de chaque génératrice) n'ont pu être obtenues que par une finition manuelle alors que les filières droites peuvent être facilement rectifiées. Il aurait été souhaitable de disposer d'une rectifieuse à commande numérique mais ce matériel n'a pas été trouvé.

L'installation pilote de pultrusion courbe a commencé à fonctionner dans un atelier de la Sté GRILLO en juillet 1981.
Les profilés obtenus ont des propriétés remarquables, comparables à celles des profilés droits comme l'ont démontré les essais de chocs effectués sur l'arrière d'une R 18 USA (photos n° 16 et 17)

Il faut noter que les lames pultrudées subissent pendant les chocs des déformations qui restent dans le domaine élastiques.
Le comportement aux chocs répétés est donc bien supérieur à celui des lames métalliques.

 
photo 16   photo 17

11. CONCLUSION

Les expériences effectuées sur des véhicules destinés aux USA ont montré que l'on pouvait remplacer une lame de pare-chocs en acier par une lame pultrudée (droite ou courbe) moins lourde, moins chère et plus performante.
Les investissements sont relativement faibles et les coûts de fabrication sont encore susceptibles de baisser en fonction de l'accroissement du marché.

Les pièces de sécurité qui doivent absorber de l'énergie en cas de collision, soit par flexion (exemple : les renforts latéraux dans les portes) soit par compression (exemple : le tube frontal R 5 TURBO) pourraient être également réalisées par pultrusion.

La pultrusion courbe est également l'un des procédés qui devrait permettre de fabriquer des pièces travaillantes en composites à hautes performances.

 Pierre ROUBINET

 Texte d’un exposé aux Journées Européennes des Composites de mars 1984.
Archivage sur fichier Word 2000 « PultrusionCourbe.doc » en janvier 2004
Conversion en fichier HTLM en novembre 2011

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