Nous suivre Industrie Techno

Mondial de l'Automobile 2014

Le bon matériau au bon endroit

Guillaume Lecompte-Boinet

Mis à jour le 30/09/2014 à 16h37

1 commentaire

1 commentaire

- 01/10/2014 08h:36

Quid de la capacité technique (et des coûts) du petit carrossier local lorsqu'il devra réparer de la "tôle" froissée ?

Répondre au commentaire | Signaler un abus

Le bon matériau au bon endroit

© DR

Le match des métaux contre les composites se joue clairement dans les usines. L'enjeu pour le secteur est bien de trouver le meilleur rapport coût-poids-performance pour réussir à produire des voitures à la fois plus légères mais abordables financièrement.

A ma gauche, les métaux. À ma droite, les composites. Le premier est le matériau historique du secteur automobile. Le second fait encore figure d'outsider. Mais ce qui est certain, c'est que, dans les dix prochaines années, ces deux familles de matériaux vont s'affronter pour s'imposer dans la voiture de demain. On le sait, les contraintes d'allégement des véhicules poussent les constructeurs à revoir de fond en comble la répartition des différents matériaux au sein de leurs voitures. Et dans ce contexte, les composites ont quelques arguments à faire valoir face aux métaux. Le principal ? Leur masse, avec une densité trois fois inférieure à celle de l'acier, pour une résistance équivalente.

Les composites se déguisent en tôle pour intégrer la caisse

Seulement voilà. Dans ce match au sommet, la clé essentielle sera économique et industrielle. Aujourd'hui, du fait de leur coût encore prohibitif, les plastiques et les composites restent minoritaires, avec une part inférieure à 20 % selon Louis David, maître expert en matériaux du groupe PSA (voir interview page 28). Surtout, ces matériaux alternatifs à l'acier sont essentiellement des thermoplastiques injectés, utilisés notamment pour fabriquer les pare-chocs ou les faces avant. Ce sont des pièces semi-structurales généralement montées à la fin du process et qui ne perturbent pas l'avancement de la chaîne d'assemblage. L'équipementier Plastic Omnium en produit 20 millions par an pour des constructeurs aussi divers que Volkswagen, PSA, Opel ou BMW. « Nous avons adopté la stratégie du caméléon : nos composites se sont déguisés en tôles pour pénétrer dans la caisse », explique Jean-Paul Moulin, directeur de la recherche et innovation de Sigmatech, le principal centre de R&D du groupe, situé dans l'Ain. Dans les thermoplastiques, les process de production sont matures, et adaptés aux grandes cadences de l'automobile avec des temps de cycle d'une à deux minutes selon le type de pièce. Par exemple, le fabricant savoyard RocTool a développé un procédé de chauffage-refroidissement par induction électromagnétique d'un moule qui prend quelques dizaines de secondes. « C'est tout à fait adapté à l'industrie automobile », note son PDG Alexandre Guichard.

L'aluminium, alternative n° 1 à l'acier

L'utilisation croissante de l'aluminium dans l'automobile entraîne quelques adaptations dans les process d'assemblage. Dans la technologie acier, la soudure est ultra-automatisée, avec le point de soudure électrique (PSE). Alors qu'avec l'aluminium, il faut riveter ou clincher. C'est moins rapide que le PSE, et cela nécessite de réinvestir. Il y a d'ailleurs un projet de recherche pour réduire ces surcoûts dans le cadre de la plate-forme automobile (PFA). De même, il faut parfois faire cohabiter l'aluminium avec l'acier, ce qui pose des problèmes de corrosion. Pour y remédier, on insère des produits organiques du type mastic, pour isoler les deux matériaux. Malgré ces réserves, « l'aluminium reste l'alternative numéro un à l'acier », estime Louis David, maître expert en matériaux du groupe PSA.

 

Efficaces et bon marché pour ces applications, les composites à fibres courtes ne réussissent pas encore à s'imposer dans les éléments de structure. La fibre de carbone, que BMW utilise pour ses voitures électriques, a encore du mal à percer à cause de son coût global. Entre le prix élevé de la matière première, des process relativement long et l'obligation de changer les méthodes d'assemblage, les constructeurs généralistes se montrent très prudents. Sans oublier le fait que certains process, comme le Resin Transfer Moulding (RTM), sont difficilement automatisables. Le carbone est donc loin de rivaliser avec les métaux. « N'oublions pas que les métaux représentent près de 75 % de la masse d'une automobile, avec derrière une filière complète de production, des usines automobiles adaptées au process du métal, notamment en emboutissage et en soudage », lance Daniel Couratin, expert leader en matériaux métalliques de Renault.

Les aciers progressent et perdent en épaisseur

Pour ces raisons, la bascule n'est donc pas forcément évidente. D'autant que l'acier a en parallèle fait des progrès considérables en matière de masse grâce à la réduction des épaisseurs. Au plan industriel, ces améliorations n'ont pas entraîné de révolutions dans les usines. Il a toutefois fallu faire évoluer les techniques d'emboutissage à froid car ces aciers à ultra haute limite élastique (UHLE) posent des problèmes de retour élastique non négligeables. Il faut les déformer plus que nécessaire pour que le retour soit bon, ce qui suppose en amont l'utilisation d'outils de simulation et de conception très sophistiqués (voir page 36). Par contre, dans l'emboutissage à chaud de tôles en acier dont la résistance peut atteindre 1 500 mégapascals (MPa), ces problèmes de retour élastique sont moins cruciaux. « On chauffe à 900 °C puis on refroidit à un peu moins de 200 °C. Ce procédé donne la résistance à l'acier », indique Daniel Couratin.

Côté assemblage, « à mesure que l'on a réduit les épaisseurs on a dû développer de nouveaux procédés de soudage, notamment le soudage laser », explique Christophe Aufrère, directeur de la stratégie technologie de Faurecia. Le soudage laser chauffe moins la pièce, ce qui est primordial quand on a réduit son épaisseur, et son temps de cycle a été divisé par presque trois (moins de 10 secondes). Par ailleurs, cette technique diminue les chutes car on peut économiser de la matière sur la mise en bande des pièces. Enfin, le prix d'un poste de soudure laser est passé d'un million d'euros à environ 600 000 euros. « Au final, il n'y a pas de surcoût à passer au laser grâce aux gains en rapidité et en précision », ajoute Christophe Aufrère.

En fait, comme pour les moteurs, l'avenir de l'automobile en matière de matériaux sera hybride. Si les métaux sont appelés à rester majoritaires, ils devront nécessairement cohabiter avec les composites. D'où l'émergence de nouvelles solutions en production pour que les deux familles de matériaux puissent se marier efficacement, sans alourdir les coûts. Les équipementiers explorent des solutions hybrides métal-composites avec diverses formes d'alliance : acier-fibre de carbone, thermoplastique-acier, etc. « L'idée est de mettre le bon matériau au bon endroit en fonction des contraintes de production », explique Jean-Paul Moulin. Précurseur, Plastic Omnium réalise des faces avant en thermoplastique-acier depuis la fin des années 90 en profitant des performances des deux matériaux. L'équipementier réalise maintenant des ouvrants hybrides sans pénaliser la chaîne de fabrication. Les peaux en thermoplastiques sont peintes à basse température (80 °C) et collées aux caissons métalliques après leur passage en cataphorèse. Et les inserts acier surmoulés sont intégrés lors de la production des caissons en une seule opération. « Grâce à l'intégration de fonction et l'allégement obtenu, ce procédé est compétitif pour les constructeurs », ajoute Jean-Paul Moulin.

La caisse est naturellement l'endroit où les métaux résistent le plus, pour des raisons de sécurité. Mais là encore, des solutions hybrides apparaissent. Par exemple, les planchers arrières, qui ne participent pas à la rigidité du véhicule, peuvent être produits en composites thermoplastiques avec des inserts aciers surmoulés. Ils seront compatibles avec les modes d'assemblage existants car ces pièces peuvent être soudées comme du métal. Le véhicule de demain sera hybride ou ne sera pas !

Rendre les fibres de carbone compétitives

Trop chère, trop longue à produire, la fibre de carbone n'a pas encore fait son trou dans l'automobile comme dans l'aéronautique. Pour y remédier, la filière se mobilise. « S'il veut s'imposer, le carbone devra faire une rupture en matière de process », lance Christophe Champenois, responsable ingénierie polymères et composites du Cetim. Le centre technique développe une ligne à haute cadence au Technocampus de Nantes, qui devrait être opérationnelle en 2015. L'idée est de faire du tout en un, de l'achat des granulés jusqu'à la pièce finie, en passant par l'imprégnation de fibres, la découpe puis la superposition. Jusqu'au coup de presse final. De son côté, Fives a signé un accord avec PSA pour développer un concept assez similaire. « Nous allons incorporer l'imprégnation des fibres dans la ligne de production » indique Jean-Camille Uring, membre du directoire. Fives travaille aussi sur les liants (époxy) pour réduire les temps d'imprégnation : il a ainsi atteint moins de 85 secondes, contre 150 secondes avant, et vise 60 secondes. Là aussi, une ligne pilote est prévue dans l'usine de Rennes en 2015. Et naturellement, la filière travaille à baisser le prix de la matière première (15 à 20 euros le kilo), avec un objectif de le diviser par deux grâce à l'emploi de substituts à son précurseur, le polyacrylonitrile, ou en simplifiant les étapes de la carbonisation.

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°0968

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2014 d'Industries & Technologies

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies

Nous vous recommandons

A Lyon, la navette autonome de Navya circule sur route ouverte

A Lyon, la navette autonome de Navya circule sur route ouverte

Depuis le début du mois de mars, une navette autonome effectue un parcours de 2,4 km entre la gare ZI Meyzieu et la zone d'activité[…]

Toyota et le MIT prédisent la durée de vie des batteries

Toyota et le MIT prédisent la durée de vie des batteries

Mini-moteurs ioniques, piles à hydrogène, Global Industrie… les meilleures innovations de la semaine

Mini-moteurs ioniques, piles à hydrogène, Global Industrie… les meilleures innovations de la semaine

L'âge d'or du Lidar

L'âge d'or du Lidar

Plus d'articles