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EoLab : le bon matériau au bon endroit pour alléger la caisse

Jean-François Preveraud

Mis à jour le 19/09/2014 à 09h52

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EoLab : le bon matériau au bon endroit pour alléger la caisse

Commencer par alléger la caisse

© DR

Acier TTHLE embouti à chaud, aluminium sous diverses formes, tôles en magnésium, matériaux composites, la caisse d’EoLab fait feu de tout bois pour maigrir de 130 kg.

La plupart des voitures actuelles de grande série ont une caisse mono-matériau en acier. Pour l’alléger, on peut penser qu’il suffit de remplacer l'acier par des matériaux plus légers. Des solutions tout aluminium ou mixtes aluminium/composites fibres de carbone existent déjà, mais au-delà d’un prix matière plus élevé, elles nécessitent bien souvent de repenser en profondeur les process d'assemblage en usine, ce qui a un coût.

C’est pourquoi Renault n'a pas souhaité basculer vers des solutions aussi radicales. « On peut toujours alléger en y mettant le prix, mais ce serait contraire à la philosophie de Renault. Notre stratégie consiste à ‘‘alléger pour tout le monde’’, ce qui nous impose de ne retenir que des solutions économiques, accessibles pour nos clients. Cette approche peut se résumer en quelques mots : mettre le bon matériau au bon endroit », souligne Laurent Taupin, le chef de Projet EoLab.

Cette volonté de maîtriser les coûts s'est traduite par une contrainte forte : trouver des solutions d'allégement compatibles avec les moyens industriels existants, tout en optimisant l’équation masse/coût/process/fonction.

Cette philosophie annoncée de ‘‘mettre le bon matériau au bon endroit’’ s'est traduite par la conception d'une caisse innovante associant différents matériaux, chacun sélectionné pour son compromis masse/coût/process. La caisse d'EoLab combine ainsi des éléments en acier, aluminium, magnésium et composite plastique.

Des aciers TTHLE

Au-delà des changements d’architecture appliqués sur la caisse, la seule façon d’alléger les pièces en acier est de réduire les épaisseurs. Le maintien des prestations étant un incontournable, il s’agit en parallèle d’augmenter les caractéristiques mécaniques de ces aciers. Pour cela les aciers  à très haute limite élastique (THLE) ont cédé la place aux aciers à très très haute limite élastique (TTHLE), ayant un module de Young de 1 200 à 1 500 MPa, apportant des gains de 20 à 50 % sur les contraintes acceptables. Ces nuances d’acier sont utilisées là où leurs hautes caractéristiques trouvent tout leur sens, notamment dans la zone habitacle à l’avant du véhicule. Bien que leur mise en œuvre nécessite souvent de faire appel à de l’emboutissage à chaud, c’est un procédé déjà connu et présent dans l’outil industriel de Renault.

De l’aluminium sous diverses formes

La caisse de l’EoLab intègre une proportion significative d'aluminium, sous ses trois formes disponibles sur le marché : tôles ; pièces de fonderie, profilés. Là aussi, il a été fait appel à des nuances présentant des caractéristiques mécaniques supérieures, afin de réduire les épaisseurs sans changer les prestations, tout en optimisant le compromis masse/coût/process/fonction.

Là encore, la mise en œuvre de certaines pièces a nécessité le développement d’un procédé d’emboutissage à tiède (environ 250°C/300°C alors que l’emboutissage à chaud se fait plutôt vers 900°C), une nouveauté qui reste malgré tout compatible avec les lignes de presses existantes dans l’outil industriel de Renault.



                               L'anneau arrière tout en aluminium

Notons que l’architecture novatrice de la caisse fait appel à un anneau arrière entièrement réalisé en aluminium, qui apporte un bon compromis masse/raideur dans cette zone. Il met en œuvre à la fois des pièces embouties, moulées et des profilés. Par ailleurs, l’homogénéité des matériaux dans cette zone arrière est intéressante en termes de dilatation thermique. En effet, dans les étuves de cuisson de la peinture, les caisses sont soumises à des températures allant jusqu’à 180°C. Dans ces conditions, certains assemblages multi-matériaux peuvent avoir un comportement différentiel ayant impact négatif sur la géométrie de la caisse lors de cette étape.

De même, l’utilisation de pièces de fonderie dans des nœuds de passage d’effort a également été mise à profit pour faire de l'intégration de fonction. Ainsi de grandes pièces d'un seul tenant remplacent une addition de petites pièces embouties et soudées, permettant de compenser le surcoût de cette technologie par rapport à l’emboutissage classique de pièces en acier.

Du magnésium au plafond

C’est peut-être le point le plus original de la caisse de l’EoLab, le toit et le tablier font appel au magnésium. Un matériau léger (densité 1,7 contre 7,6 pour l’acier, 2,7 pour l’aluminium et 2,5 pour le verre), mais sensible à la corrosion, ce qui le confinait dans l’habitacle, par exemple dans les armatures moulées de volants.

L’utilisation de tôles d’alliage de magnésium de type AZ31B a permis de réaliser un pavillon embouti à tiède qui ne pèse que 4,5 kg contre 10 kg pour un pavillon embouti en acier. Ce matériau a aussi été utilisé pour le tablier séparant l’habitacle du compartiment moteur avec des gains tout aussi spectaculaires. Outre le procédé d’emboutissage à tiède le fournisseur, Posco, a aussi participé au développement de la procédure de traitement de surface spécifique pour les plaques utilisées. Notons que le magnésium est aussi utilisé par Faurecia dans une partie de la structure des sièges d’EoLab.

Du thermodurcissable au thermoplastique

Les matières plastiques font leur entrée en force dans EoLab en remplaçant des pièces traditionnellement réalisées en métal. Pour cela, l’équipe d’EoLab s’est appuyée sur des laboratoires universitaires et des fournisseurs spécialisés pour travailler sur une nouvelle famille de composites dont la résine n'est plus en thermodurcissable, mais en thermoplastique. Ceux-ci sont à la fois plus faciles à récupérer et à recycler lors de la fin de vie des voitures.

Ainsi, les planchers avant, arrière et central, le pied milieu et la traverse inférieure de baie du démonstrateur sont en composite thermoplastique estampé à chaud. Par ailleurs, la peau du capot-aile (pièce d'un seul tenant) et la porte sont élaborés en thermoplastique injecté. Ces deux matériaux sont des polymères avec fibres de verres, le type et le pourcentage de fibres variant en fonction des propriétés recherchées sur la pièce (fibres longues pour des pièces structurelles).

Une stratégie du ‘‘bon matériau au bon endroit’’ qui se traduit par un gain de masse de l’ordre de 130 kg sur la caisse et qui permet d’alléger aussi le châssis et la chaîne de transmission, car ils auront moins de masse à déplacer. Un cercle vertueux en quelque sorte.

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