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Mondial de l'Automobile 2014

L'acier n'a pas dit son dernier mot

Jean-François Prevéraud
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L'acier n'a pas dit son dernier mot

Bobines d'acier

Alléger est le maître mot actuel des concepteurs automobiles pour satisfaire les normes de plus en plus drastiques d'émission de CO2. Aciers, aluminiums, plastiques et composites se livrent une guerre effrénée pour prouver qu'ils sont la meilleure alternative face à ce challenge. Et à ce jeu les métaux ne sont pas les plus mal placés.

Jusque dans les années 2000 la principale préoccupation des constructeurs était d'assurer la sécurité des passagers en cas d'accident. Pour cela, ils ont développé des habitacles indéformables, des compartiments avant et arrière pouvant dissiper l'énergie des chocs grâce à des zones à déformation programmée, ainsi que des portières dotées de renforts limitant les effets des chocs latéraux. Ils ont aussi installé de nombreux équipements de sécurité dans l'habitacle (airbags, prétensionneur de ceinture de sécurité, padding...). Des mesures qui n'ont cessé de faire grimper le poids des véhicules. Et la situation ne s'est pas améliorée depuis avec l'arrivée en série de nombreux équipements comme la climatisation, les toits panoramiques en verre ou l'électronique de confort tels les GPS et les systèmes d'info-divertissement. Ainsi une voiture qui pesait 900 kg au début les années 90 arrive à 1 300 kg en 2012 !

Cette inflation est devenue intenable. Car, dans le même temps, les pouvoirs publics ont imposé une réduction drastique des émissions de CO2. Les véhicules neufs vendus dans l'Union européenne ne pourront émettre plus de 130 g/km de CO2 en 2015 et 95 g/km en 2020, contre 160 g/km aujourd'hui. Un véritable défi qui impose aux constructeurs de revoir leur manière de concevoir les automobiles. Frottement des pneus, aérodynamiques, chaîne de traction... les industriels cherchent à limiter les émissions de CO2 par tous les moyens. L'une des voies les plus efficaces consiste à mettre au régime nos chères automobiles, à traquer les kilos en trop. Onze kilogrammes de perdus, c'est un gain d'un gramme de CO2 au kilomètre !

L'équation est simple à comprendre mais beaucoup plus difficile à résoudre. Pour alléger les matériaux, il faut réussir à jouer sur plusieurs paramètres : l'épaisseur, la densité ou la forme de la pièce. Pour faire maigrir les voitures, il faut en effet trouver des solutions, dès les premières étapes de conception, pour assurer la prestation attendue par le client en utilisant moins de matière. « En modifiant les glissières métalliques de nos sièges, nous avons réduit leur longueur, donc la masse, tout en augmentant la course de réglage accessible au conducteur. Cette dernière est passée de 200 à 210 mm il y a quinze ans à 240 à 260 mm aujourd'hui », explique ainsi Christophe Aufrère, directeur de la stratégie technologique de l'équipementier Faurecia.

Des nombreuses nuances d'acier sont disponibles

L'industrie automobile ayant une longue pratique de l'optimisation, la réduction de l'épaisseur d'une pièce ne peut plus se faire qu'en augmentant les caractéristiques du matériau utilisé. Ainsi dans le domaine de la structure du véhicule, les aciers doux pour l'emboutissage qui ont une limite élastique de 300 à 350 mégapascals (MPa) sont progressivement remplacés par des aciers à haute limite élastique (HLE) de 400 à 700 MPa, puis par des aciers à très haute limite élastique (THLE) 800 à 1 000 MPa, voire à ultra-haute limite élastique (UHLE) de 1 300 à 1 500 MPa. « La part de ces aciers à haute résistance dans les structures des voitures est de l'ordre de 20 % aujourd'hui, elle devrait passer à 30 % en 2020 et plus de 40 % en 2025, d'autant plus que ces évolutions se font à coût neutre pour les constructeurs », estime Jean-Luc Thirion, directeur R&D pour l'automobile chez ArcelorMittal.

Une évolution tirée par les sidérurgistes qui planchent toujours sur l'augmentation de la limite élastique de leurs produits en jouant sur la teneur relative des additifs (manganèse, silicium, chrome...) qui représentent moins de 1 % du total. Ainsi la barre des 2 000 MPa devait être franchie dans les deux ans et déboucher sur les applications sur des véhicules d'ici trois à quatre ans. Cette multiplication et ce renouvellement de l'offre, 25 % du portefeuille tous les cinq ans, permettent aujourd'hui aux sidérurgistes d'offrir plus de trente nuances d'acier d'emboutissage aux constructeurs, même si ceux-ci pour des questions de rationalisation de leur production n'en utilisent que quelques-unes.

Aciéristes et constructeurs travaillent ensemble

Cette évolution de la nature de l'acier utilisé a déjà permis de gagner une cinquantaine de kilos sur la structure d'un véhicule. De fait, un tiers des pièces de structure en acier d'une voiture aurait déjà bénéficié d'un tel traitement. Mais cela s'est fait au prix de nombreux efforts. Il a fallu adapter la conception des pièces et les moyens de production (voir notre enquête page 30) ainsi que les techniques de soudage. Par exemple lors de la soudure par points, il faut laisser l'électrode continuer à chauffer les pièces quelques secondes après la soudure pour faire un revenu local afin d'éviter la fragilisation de la matière. Et le soudage laser, plus précis et moins agressif thermiquement pour la matière, se développe rapidement.

Autre voie d'évolution des aciers, les codéveloppements faits entre les sidérurgistes et les constructeurs automobiles. C'est par exemple le cas avec les « flancs soudés lasers » qui regroupent dans une ébauche plane des morceaux d'acier de nuances et d'épaisseurs différentes soudés par laser. « Ce flanc hybride est embouti en une seule fois apportant les bonnes caractéristiques au bon endroit. Nous avons commencé ces codéveloppements pour des pieds milieux qui séparent des portes, et nous en sommes aujourd'hui à développer avec Honda un « door-ring » en quatre pièces pour son modèle Acura, avec à la clé un allégement de 20 % », précise Jean-Luc Thirion.

Le dernier levier sur lequel peuvent agir les constructeurs pour alléger leurs véhicules est de réduire la densité des matériaux utilisés. Même si l'on pense tout de suite aux composites, là encore les métaux ont leur mot à dire. Et en premier lieu l'aluminium. Celui-ci, trois fois moins dense que l'acier, est déjà très présent dans le groupe motopropulseur (75 % des moteurs) et les liaisons au sol des véhicules haut de gamme. Il commence à entrer dans les carrosseries de certains modèles (capot, aile, panneau de porte, pavillon...), où il permet des gains de masse de l'ordre de 35 % par rapport à l'acier. En revanche, il est moins intéressant pour les pièces de structure fortement chargées car le gain de masse n'est que de l'ordre de 10 % pour un prix triple de celui de l'acier.

La révolution des composites

Si le passage de l'acier à l'aluminium n'est qu'une question d'adaptation car les process de conception, de dimensionnement, de production et d'assemblage sont relativement similaires, le passage de l'acier aux composites pour les pièces de structure est une véritable révolution dans tous les domaines. Même si l'automobile utilise de longue date des pièces en plastique renforcé de fibres courtes, tels des hayons où l'on gagne jusqu'à 30 % de masse, on manque encore cruellement pour les composites à fibres longues d'outils de dimensionnement précis. De plus, la matière et les process de mise en forme sont coûteux, les cadences de production trop faibles et il faudra faire des investissements industriels colossaux.

Tout de même certaines pièces commencent à les adopter, tels des planchers arrière chez PSA avec des gains de masse de 40 %. Des démonstrateurs ont aussi été réalisés. Ainsi, un triangle de suspension a été conçu en partenariat entre PSA, le Cetim, l'Onera et la PME Compose. Le premier prototype de cette pièce a été réalisé à partir de feuilles de thermoplastique renforcées de fibres de carbone thermoformées et soudées entre elles, il permet un gain de masse de 50 %. De même des renforts de portière en composites issus d'une collaboration entre PSA et DuPont ont permis d'alléger la pièce de 40 % et des absorbeurs de chocs réalisés par le Cetim et Momentive affichent un allégement de 66 %.

Même si le gain de masse espéré sur une caisse complète est de l'ordre de 45 %, soit 160 kg, il ne permettra qu'un gain de 14 g/km de CO2 pour un petit véhicule de milieu de gamme, la route sera encore longue avant d'arriver à la voiture tout composite. Les métaux résistent donc plutôt bien !

LES PISTES D'ARCELORMITTAL POUR ALLÉGER NOS VOITURES

Le projet S-in motion regroupe plusieurs concepts novateurs pour alléger la structure en acier d'une voiture et améliorer sa rigidité, sans nuire à la sécurité. (Découvrez-les en cliquant sur l'image)

 

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