PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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LE SMC
Une technique industrielle pour l'automobile ?

par M. Costes et A. Jaouen (responsables technique et automatisme de l'unité plastique Renault)

AVANT PROPOS

Obtenir un prix de revient et un montant d'investissement les plus faibles possibles est le souci permanent de celui qui est en charge de l'industrialisation d'un produit quel qu'il soit.
Pour le SMC en particulier, en compétition avec les moyens traditionnels (acier embouti, matière plastique injectée) il est indispensable d'atteindre les objectifs fixés.

Pour cela, il est nécessaire d'agir sur les différents paramètres de la conception et de la fabrication d'une fonction ou d'un ensemble de fonctions.
Nous devons d'abord suivre l'optimisation du dessin de la pièce afin de trouver le compromis entre l'intégration maximale des fonctions et masse minimale, tout en respectant le cahier des charges.
L'intégration des fonctions, qui peut entraîner une diminution du nombre de pièces par trois ou quatre, est un des principaux avantages de la conception SMC par rapport à une réalisation métallique classique. Cet avantage, tout en restant fondamental, provoque par définition une augmentation de la complexité des pièces et donc une diminution de leur faisabilité industrielle.

Nous nous assurerons aussi que la formulation de la matière utilisée permet non seulement d'obtenir les meilleures caractéristiques pour le produit fini, mais permet aussi de diminuer les coûts par une réduction de la température, de la pression de moulage et du temps de cycle.
Enfin, le remplacement progressif de la main d'oeuvre par des enchaînements de machines automatiques entraînant une réduction du nombre des opérations (manutention, etc...) une augmentation de la qualité, devrait permettre d'abaisser le prix de revient.

La réalisation de ces objectifs passe obligatoirement par l'adoption de compromis, techniques, économiques et humains. Cette démarche, appliquée à l'industrialisation du SMC, a fait surgir un certain nombre de problèmes techniques que nous allons évoquer maintenant.

1 - DECOUPE

La découpe des ébauches est un point important du processus de fabrication de pièces en SMC.
Pendant très longtemps elle a été effectuée manuellement à cause de l'extrême difficulté de préhension et de positionnement du matériau; elle est depuis plusieurs années déjà réalisée de façon mécanisée, sur des machines spéciales où les parties inutilisables (rives) sont éliminées et les ébauches directement placées sur les chariots de transport aux postes de travail.

2 - MOULAGE

Le moulage est l'opération majeure dans la transformation du SMC. Le produit semi-fini y prend ses caractéristiques définitives et, afin d'éviter le plus possible des opérations supplémentaires, il est indispensable qu'en sortie de moule la pièce soit aussi finie que possible.

Contre-dépouille

Le moulage des contre-dépouilles a été un des premiers obstacles à franchir pour réaliser des pièces aussi complexes que celles obtenues en injection.
Dans un premier temps de faibles contre-dépouilles ont pu être moulées par l'utilisation d'inserts métalliques détachables. Ensuite la généralisation de parties mobiles (fig. 1) a permis le moulage de contre-dépouilles beaucoup plus importantes. La mise au point de tels systèmes est délicate en raison de l'ambiance très sévère dans laquelle les moules travaillent. L'outillage doit être avant tout "rustique" et le fait de placer des parties mobiles le rend plus fragile, surtout dans le cas de pièces complexes de petites dimensions (fig. 2)

Figure 1   Figure 2
 

Ouvertures venant de moulage

L'obtention des ouvertures venant directement de moulage ne nécessitant aucune finition ou simplement un ébavurage est encore à l'heure actuelle une opération délicate. Les principaux obstacles à cette solution résident dans la difficulté de maîtriser le fluage du SMC et dans le fait que le matériau se ressoude mal après avoir été séparé à l'intérieur du moule (fig. 3)

Dans la solution que nous avons adoptée, l'ébauche possède le même nombre d'ouvertures que la pièce à mouler,
Les deux domaines (au sens mathématique) ont donc le même nombre de frontières.

 

Inserts métalliques

L'insertion de parties métalliques est une technique devenue courante dans le moulage par injection de résines thermoplastiques non renforcées, mais demeure peu répandue en compression des SMC. Bien que délicate à mettre en oeuvre, elle permet entre autre l'intégration de la fonction assemblage, et dans le cas présent, de rigidifier la fonction (fig. 4). Il est vraisemblable qu'elle sera de plus en plus utilisée.

Pièces minces

Les problèmes posés par le moulage des pièces minces de grandes dimensions sont de plusieurs ordres.
Ce sont d'abord des problèmes, sur lesquels nous reviendrons, de formulation de la matière.
Ensuite, la dimension de l'épaisseur étant très faible devant les autres dimensions de la pièce, on est obligé de prendre en compte la notion de parallélisme des deux parties du moule au cours de la compression.
Les forces mises en jeux sont très importantes et il suffit dans ce cas d'un écart angulaire très faible, par exemple 0,03 degré, pour avoir une diférence d'épaisseur aux deux extrémités de 30%. Or une presse de compression classique possède comme tout mécanisme, des jeux de fonctionnement qui ne permettent pas d'être certain, avec la précision demandée, de la position angulaire relative des deux parties du moule. Il est donc obligatoire, pour pouvoir mouler ce type de pièce en compression SMC, d'utilisée une presse conçue ou modifiée en fonction des impératifs précédents.

3 - FINITION

La finition d'une pièce en SMC comprend l'ensemble des opérations venant après le moulage: depuis l'ébavurage jusqu'au conditionnement d'un ensemble de pièces pour la livraison, en passant par le perçage des ouvertures et la pose d'accessoires divers.
Ce sont toutes ces opérations qui demandaient jusqu'à maintenant le plus d'interventions manuelles, malgré l'aménagement des postes et l'utilisation de machines spéciales.

L'ébavurage, encore essentiellement manuel peut s'automatiser mais non de façon simple: soit par un contournement de la pièce, soit par un grenaillage suivant le temps de cycle désiré et suivant le cahier des charges.

Les ouvertures pratiquées dans les pièces peuvent être des perçages de fixation ou d'allègement (fig. 5) ou des trous de formes quelconques comme des ouies d'aération.
Les trous cylindriques de petites dimensions ont été longtemps usinés sur des machines spéciales équipées de têtes pneumatiques de perçage; les ouvertures de formes quelconques étaient terminées après défonçage portatif. Ces procédés nécessitaient entre autre une aspiration puissante des poussières.
L'utilisation de machines à poinçonner, généralisée pour ce genre d'opération, a augmenté sensiblement la capacité de production, la qualité, et amélioré les conditions de travail par diminution du bruit et des poussières.

4 - LA MATIERE

Fibres continues

L'utilisation de fibres continues ou fibres longues améliore sensiblement les caractéristiques mécaniques des pièces.
Nos installations produisent pour cela trois types de SMC à fibres longues (voir fig. 5) qui peuvent être utilisés seuls ou panachés avec un SMC standard suivant les caractéristiques demandées ou le type de pièce.

 

L'industrialisation de telles matières impose bien sûr des contraintes en raison de l'importance de la position finale des fibres longues dans la pièce; un positionnement impératif sur le moule et un maintien de cette position pendant la phase de fermeture du moule.
Cette matière possèce aussi des aptitudes au fluage (moulabilité) plus faibles. Les réglages de pression de moulage et de température seront donc plus précis.
Enfin, il peut être parfois délicat de réaliser parfaitement un panachage des matières en raison de leur différence de fluage.
Par contre, lorsque pour une fabrication donnée, les réglages optimaux ont été trouvés, on obtient un positionnement des fibres en fonction des besoins (voir fig. 6) donc une optimisation des caractéristiques mécaniques (réduction du poid et du prix de la pièce)

Pièces de carrosserie

Ce type de pièce est encore à l'heure actuelle réservé pour la plus grande part à la tôle. Pour être compétitif dans ce domaine, le SMC doit répondre à certaines conditions. En particulier du point de vue technique l'aspect final de surface des pièces doit être identique à celui des pièces en tôle; mais pour nous cela ne suffit pas; nous voulons que le poid de la pièce soit plus faible et surtout que son prix soit concurrentiel.

Pour réaliser ces objectifs la matière doit posséder des qualités particulières.
Les conditions sont différentes suivant que les pièces sont épaisses (2 à 5 mm), minces (1 à 2 mm) ou nervurées.

Les principaux défauts à éviter seront :

Les qualités du matériau devront être d'abord :

Des caractéristiques de transformations aisées et rapides c'est à dire un temps de fluage long et un temps de réticulation court.

Nous venons de définir les caractéristiques d'un matériau idéal pour pièces de carrosserie, et, bien que les recherches dans ce domaine soient nombreuses, les formulations actuelles ne répondent pas encore à tous ces critères.

Jusqu'à présent, l'absence totale de porosité n'est pas garantie, ce qui implique le recours à "l'In Mold Coating" que nous considérons comme un mal nécessaire à court terme.
Cette technique présente de nombreux inconvénients dont l'augmentation des investissements et du temps de cycle sans compter les difficultés techniques de la mise en oeuvre du système (difficulté de remplissage sur des pièces complexes, industrialisation délicate de l'injection peinture, contrôle du parallélisme etc...)
Par contre, l'IMC permet d'employer délibérément une matière moins chère ne nécessitant que des aptitudes mécaniques et géométriques, mais les progrès sur la matière devraient éliminer peu à peu son utilisation.

5 - LES AUTOMATISMES

L'enchainement automatique des opérations élémentaires du processus de fabrication est la dernière étape à franchir pour que l'industrialisation du SMC devienne véritablement une technique industrielle.

A l'heure actuelle, le développement des microprocesseurs, automates programmables pour la partie gestion des cycles, des manipulateurs, des robots et autres dispositifs pour la partie mécanique, fait que la technique de la manutention automatique s'adapte parfaitement à de tels cas, et on peut dire que pour la partie finition de la fabrication les problèmes techniques sont résolus.
Il n'en est pas de même pour la partie amont de la presse de moulage, entre la découpe de l'ébauche et le chargement de la presse, alors que le SMC est sous sa forme semi-finie (c'est-à-dire à l'état de feuille épaisse, molle et collante)
Dans ce cas la préhension de cette matière devient le problème prépondérant de cette partie. A l'heuure actuelle, deux moyens semblent devenir intéressants : ce sont les ventouses et des systèmes à aiguilles avec bien sûr les problèmes de nettoyage qui leur sont liés.
C'est donc essentiellement un problème de fiabilité qui rend cette phase délicate.

Pour des pièces SMC assemblées, le processus peut être traité de la façon suivante (fig. 7)

6 - CONCLUSION

Nous venons de passer en revue les différentes phases de l'industrialisation du SMC dans l'autimobile avec les problèmes et les espérances qu'elles comportent. Nous voyons qu'après s'être longtemps contenté d'être le matériau des boucliers, le SMC est en passe de s'intégrer d'une façon beaucoup plus intime au véhicule.

Afin de passer du stade expérimental (même à grande échelle) au stade industriel de série il est nécessaire pour pour chaque type de pièce de dégager :
Une rentabilté économique

Dans la bataille que se livrent les matériaux au sein de l'automobile; nous n'assisterons pas à une révolution mais certainement à une évolution.

Document publié dans la revue "Composites" de juin 1983 et converti en fichier HTML en novembre 2017.

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