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Cas d'école

Comment BMW apprivoise la fibre de carbone

Comment BMW apprivoise la fibre de carbone

© BMW

Produites respectivement depuis novembre 2013 et avril 2014, les BMW i3 et i8 inaugurent une première mondiale. Elles sont les premières voitures produites en série à présenter un habitacle en fibre de carbone renforcée, pour lequel BMW a dû revoir entièrement ses procédés de production.

En périphérie de Leipzig, quatre éoliennes élancent leurs pâles vers le ciel. Elles alimentent l'usine ultramoderne de BMW, ouverte en 2005 et dans laquelle est produite la gamme de véhicules électriques et hybrides BMWi. Dès l'entrée dans le bâtiment principal, le ton est donné. À plusieurs mètres du sol sur une ligne suspendue en hauteur, les habitacles de la i3 défilent dans une ambiance bleutée à la vue des visiteurs, comme des ingénieurs assis à leur bureau. Elles ne font que passer d'un bâtiment d'assemblage à l'autre mais rappellent à tous que BMW est en passe de réussir le pari de la production à grande échelle de voitures en composites.

Une usine entièrement reinventée

Là où la quasi-totalité des autres voitures produites en grande série mettent de l'acier, l'allemand a opté, pour compenser le poids des batteries, pour des habitacles à base de fibre de carbone renforcée (PRFC). Outre sa légèreté, ce matériau est aussi plus rigide et moins sensible à la corrosion que l'acier. Plusieurs avantages qui ont poussé BMW à franchir le pas malgré le coût important de la production de la fibre de carbone elle-même et la complexité des procédés qui lui sont liés. Pour tenir la cadence, le géant allemand a dû réinventer son outil de production industriel et construire une usine ultra-robotisée. Quoiqu'il s'agisse encore d'une production limitée à cent voitures par jour, le résultat est prometteur. De l'arrivée de la fibre de carbone « brute » à la sortie de la voiture prête à l'usage, BMW fabrique à Leipzig une i3 en moins de vingt heures, soit environ deux fois moins de temps que pour une voiture en acier. Plongée au coeur de ce nouveau processus de fabrication.

Comment BMW apprivoise la fibre de carbone

1. CONFECTION

La fibre de carbone se tisse aux États-Unis Avec un poids de 230 kg, la batterie lithium-ion met du plomb dans l'aile de la i3. Pour compenser, BMW a fait le choix d'un polymère à renfort fibre de carbone (PRFC), un matériau composite très résistant et deux fois moins lourd que l'acier. Avant d'être transformées en PRFC à Leipzig, les fibres de carbone de 7 microns chacunes sont d'abord fabriquées à Moses Lake aux États-Unis à partir d'une fibre textile thermoplastique de polyacrylonitrile. Puis elles sont assemblées en couches disposées en plusieurs sens au Parc d'innovation de Wackersdorf en Allemagne.

2. THERMOFORMAGE

Le petit coup de pression pour trouver la forme Lorsqu'ils arrivent à Leipzig, les mats stratifiés sont mis dans un premier moule chauffant où les fibres de carbones y sont pré-imprégnées d'un liant thermodurcissable. Trois presses, les « preformliner », viennent ensuite leur donner leur forme tridimensionnelle.

3. DÉCOUPAGE

L'ultrasonique pour affiner les lignes Plusieurs de ces premières parties peuvent être jointes pour former une pièce plus large. Les opérateurs utilisent ensuite un couteau ultrasonique pour découper les ouvertures et donner une forme nette à la pièce.

4. DURCISSEMENT

L'injection de résine pour rester solide Les pièces ainsi préformées reçoivent leur rigidité finale par injection de résine thermodurcissable sous haute pression. Pour cela, l'usine est équipée de sept presses hydrauliques de 3 000 tonnes. La résine époxy y durcit à 100 °C en moins de dix minutes - contre trente jusqu'ici - pour former le PRFC proprement dit. Un véritable exploit qui résulte de près de dix ans de R&D. Au total, 130 éléments en PRFC sont ainsi fabriqués pour former la caisse en blanc de la i3 soit près de deux fois moins que pour une structure en acier.

5. RECYCLAGE

Le PRFC recyclé pour être écolo Près de 10 % du polymère à renfort fibre de carbone (PRFC) mis en oeuvre sur la BMW i3 est issu de fibres recyclées, récupérées à partir des chutes de la production. Elles sont utilisées pour former le toit.

6. COLLAGE

De la colle ultrarapide pour la constitution C'est dans le body shop que la structure de base du « Life module » - la caisse en blanc - prend forme. À Leipzig, ni soudage, vissage ou rivetage : les pièces sont toutes assemblées sans contact, par un procédé de collage entièrement automatisé. Au bout d'une heure et demie, la colle a durci et atteint sa résistance maximale, un temps de durcissement record encore accéléré sur certaines pièces par le chauffage spécifique de plusieurs points de collage.

7. HABILLAGE

Le thermoplastique pour soigner le look À l'exception du toit, la i3 présente une peau réalisée entièrement en matière synthétique thermoplastique, légère, résistante à la corrosion et insensible aux petits accrochages. Portes, pare-chocs ou capot sont donc fabriqués en parallèle des pièces de structure à partir du thermoplastique dit PP/EPDM, selon trois procédés différents de moulage par injection. Seules les parties extérieures visibles de ces pièces sont ensuite peintes à sec, sans utiliser le procédé de cataphorèse traditionnel utilisé pour l'acier, qui nécessiterait 70 % plus d'eau et 10 kg de plus de peinture par voiture.

8. ASSEMBLAGE FINAL

L'aluminium pour prendre la route En parallèle, la batterie et l'ensemble motopropulseur sont vissés sur le châssis - le « Drive Module » - composé de quelque 160 pièces en aluminium. L'habitacle en PRFC - le « Life Module » - coiffé du toit, habillé de la peau en thermoplastique et équipé des éléments intérieurs, y est ensuite collé et vissé. Au final, 160 mètres de colle ont été utilisés pour l'ensemble de la i3 et vingt heures seulement sont nécessaires à l'usine de Leipzig pour transformer la fibre de carbone en voiture, contre une quarantaine pour une voiture en acier.

 

Comment PSA fabrique une voiture en acier

Pour prendre la mesure des transformations de procédés apportées par BMW, Industrie et Technologies s'est rendu sur le site de production des 208, DS3 et C3 de PSA à Poissy. On y parle encore d'emboutissage, de ferrage ou de peinture par cataphorèse, des procédés plus anciens mais qui ont fait leurs preuves : près de 87 véhicules par heure sur 2 lignes y sont produits. Un reportage à retrouver ici.

 

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