PLASTIQUES ET COMPOSITES DANS LES VEHICULES RENAULT
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AtoFina, Délégation Automobile, PR le 29 août 2000

Les SMC dans l’automobile

1- Bref historique des SMC chez Renault

1.1- Principe de base

Vers 1965, une nouvelle technique de fabrication de semi-produits composites apparaît. Elle consiste à imprégner un mat de verre d’une pâte constituée de résine polyester, de charges minérales et d’adjuvants divers, entre deux films de polyéthylène. Sous l’action d’un agent d’épaississement, la viscosité de la pâte d’imprégnation augmente et au bout de quelques jours on obtient un produit au toucher non poisseux.
Le préimprégné réalisé peut être découpé en feuilles au gabarit désiré. Après pelage du polyéthylène, l’ébauche constituée de l’empilage de plusieurs flans est moulée sous presse à chaud. Les produits ainsi obtenus présentent de bonnes propriétés mécaniques, surtout en choc.

1.2- Les différentes phases de développement

Une étude de ces matériaux en relation avec Pechiney-Saint-Gobain (PSG) permet de démarrer en 1967 une fabrication expérimentale de 50 000 tablettes arrière R4 en vue de préparer des applications futures.
Le préimprégné était réalisé à l’usine PSG de Chauny et moulé à l’usine Renault de Choisy-le-Roi.
La première application industrielle des préimprégnés, appelés SMC (sheet molding compound) aux USA, a été les boucliers avant et arrière R5 (ainsi qu’arrière R17)
Le moulage et la finition étaient effectués dans une nouvelle usine implantée à Dreux.
La mise au point du Stratyrex (nom commercial du préimprégné de PSG) a pris un certain temps, ce qui a conduit à mettre un deuxième fournisseur sur les rangs. Il s'agissait de Menzolit (D) représenté en France par Jacques Vaussier.
Le préimprégné Menzolit ne répondait pas au Cahier des Charges que l'on avait imposé à Péchiney-Saint-Gobain (imprégnation de mats au lieu de rovings coupés, grammage plus faible, rouleaux plus petits, prix plus élevé,...) toutefois il se moulait mieux sur les boucliers AV R5 dont les ouïes de refroidissement du moteur gênaient le remplissage des empreintes.
Partie de zéro en 1970, la production atteignait 5000 boucliers/jour en mars 1974. Ce qui correspondait à une consommation de 20 t/jour de préimprégné.

1.3- L’assistance du Laboratoire

Parallèlement à la fabrication et au moulage du SMC, de nombreux travaux effectués par le Laboratoire et l’Atelier de Développement de Rueil, en collaboration avec le Bureau d’études et les fournisseurs, a permis d’aboutir à un Cahier des Charges pour les caractéristiques de la matière et à un Cahier des Charges de performances 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 (FPH) où se retrouvent les caractéristiques à l'état de livraison et sur produit moulé. C'est la fiche d'identité 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 puis par l’ISO.
Nous citons simplement pour mémoire des essais de Laboratoire particuliers, tels que:

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

1.4- Généralisation des boucliers et pare-chocs en plastique

Des études annexes ont permis de compléter la panoplie d’aide à la conception des dispositifs de protection contre les chocs, pour les véhicules futurs :

Dans le cas des boucliers et des lames de pare-chocs, l'intérêt du préimprégné verre-polyester (SMC) a été largement démontré.
Depuis 1970, Renault a développé les préimprégnés verre-polyester (SMC) avec les boucliers de R17, R5, R14, Fuego, Master (RVI), R18 (lames avant et arrière), R25, Express (1985-89), R21 (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 design inconnue auparavant
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)

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 PUR semi-rigide)
Les boucliers des R9, R11, R21 (arrière), R19 (arrière), Express (1990), Clio (avant), Safrane, Twingo (avant), Laguna, Mégane,... 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)

2- Transfert de savoir-faire vers des équipementiers

2.1- La création d’Inoplast

Vers 1975, une enquête technique a été menée chez plusieurs fabricants et mouleurs de SMC pour chercher un partenaire capable d’épauler (et aussi de concurrencer) l’usine de Dreux dont l’engagement des presses arrivait à saturation.
C’est Mecelec, fournisseur d’appareillages électriques et téléphoniques, qui a été choisi.
L’accord passé avec Renault a donné le départ de la Société Inoplast qui n’a cessé de croître jusqu’à absorber, 20 ans plus tard, toutes les fabrications plastiques de l’usine Renault de Dreux, y compris les lames de ressort en composite unidirectionnel verre-époxy.

2.2- Les autres mouleurs de SMC

La fabrication de nouvelles pièces en SMC pour différents secteurs de Renault (automobile, véhicules industriels, tracteurs agricoles, voitures de sport, …), a été sous-traitée à des mouleurs à partir de 1980.
Parmi ces mouleurs citons : la SNPE, Stradour, Stratinor, Heuliez, Vicon (NL), Fibron (D), Menzolit (D).

3- Améliorations à apporter aux SMC

3.1- Les problèmes rencontrés

Les SMC présentent des inconvénients qu’il ne faut pas sous-estimer :

3.2- Les pertes de styrène

Le styrène contenu dans les résines joue le rôle d’agent de pontage des chaînes polyester insaturées lors de la polymérisation par réticulation. C’est un produit volatil jugé dangereux à respirer. Les aspirations destinées à répondre à la législation concernant la protection des opérateurs contribuent souvent à accélérer l’évaporation du styrène.
Les pertes de styrène entraînent une réduction de la plasticité (remplissage incomplet des moules)et de la réactivité (allongement du temps de cuisson) du SMC. C’est évidemment aussi des pertes de poids et d’argent.

Pour réduire au minimum les pertes de styrène et pour respecter les règles d’hygiène et de sécurité, il est recommandé de cumuler les dispositions suivantes :

3.3- La maturation

La maturation, c’est à dire l’accroissement de viscosité sous l’action d’un agent d’épaississement, est souvent mal maîtrisée, ce qui nécessite un contrôle rigoureux des constituants de la pâte d’imprégnation et une surveillance étroite des conditions de fabrication et de stockage du SMC.
L’agent d’épaississement de la résine polyester le plus utilisé est la magnésie (MgO)
On obtient des courbes d’évolution de la viscosité en fonction du temps très différentes suivant la résine, la magnésie (généralement empâtée dans une résine neutre), la formulation, l’humidité (notamment celle contenue dans la résine) et la température.
Il est ainsi possible d’obtenir des maturations rapides ou lentes, mais que l’on ne peut stopper à un niveau déterminé.

Une maturation rapide permet de mouler le SMC deux jours après sa fabrication mais il devient très dur à mouler au bout d’une semaine. Si le départ de la maturation est trop rapide, l’imprégnation des fibres de verre sera incomplète et un mastic risquera de se former sur les parois des tuyauteries et des racles.

Une maturation lente oblige à attendre une semaine avant de mouler le SMC mais il est encore moulable un ou plusieurs mois après sa fabrication. Le planning de fabrication doit être établi suffisamment à l’avance et il faut disposer de grands locaux de stockage isothermes.

Il existe des brevets de maturation en continu qui mériteraient d’être ressortis des oubliettes.

3.4- Le moulage

Les principaux paramètres de moulage sont les suivants :

Un palier de maturation du SMC n’étant jamais atteint, sa plasticité diminuera donc en fonction du temps.
Sur une presse hydraulique classique, c’est la montée en pression qui est programmée. La durée de remplissage du moule variera donc en fonction du taux de recouvrement de l’ébauche et de la plasticité du SMC. Or un remplissage trop rapide emprisonne de l’air dans le moule et un remplissage trop lent risque d’être incomplet, la polymérisation ayant démarrée.
Une solution consiste à disposer un thermocouple particulier dans le moule et un capteur de déplacement sur les plateaux de presse. Il est ainsi possible de piloter les conditions de moulage à partir des données enregistrées.

La préparation des ébauches et leur positionnement dans le moule ont une grande importance sur la répartition et l’orientation des fibres de verre.
Pour un positionnement précis des ébauches et éviter leur glissement pendant la fermeture du moule, il est possible de faire des trous pilotes dans l’ébauche, lesquels sont positionnés sur des éjecteurs en position haute. Le recul de ces éjecteurs doit être synchronisé avec la fermeture du moule.

3.5- les déformations des pièces après démoulage,

Au moment du démoulage, la pièce encore chaude est la reproduction exacte de l’empreinte du moule. Mais les coefficients de dilatation linéaire étant différents suivant les sens long, large et travers (sens de l’épaisseur), le retrait thermique n’est pas homothétique. Tous les angles ont tendance à se fermer.
Des corrections géométriques du moule et l’emploi d’un conformateur de refroidissement permettent généralement de respecter les tolérances dimensionnelles imposées.

4- Avenir des SMC

4-1 Avantages des SMC

Le SMC restera intéressant pour les véhicules en petites et moyennes séries (< 300 p/j). Les prototypes et les débuts de série pouvant faire appel au moulage au contact, par injection de résine ou par pressage basse pression. Les investissements progressent en fonction de la montée en cadence et les risques financiers sont réduits.

En ce qui concerne la grande série, les avantages des SMC qui peuvent être retenus sont :

4.2- pièces nouvelles en SMC

Parmi les pièces nouvelles en SMC citons :

 Pierre Roubinet (Consultant entre 1990 et 2000)

 

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