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Matériaux allégés, mariage compliqué

L. F.

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La réduction du poids est un des principaux leviers pour limiter l'empreinte environnementale des véhicules. La substitution de l'acier, trop dense, est inévitable. Ce qui oblige à innover dans la chaîne de production pour assembler des matériaux variés.

Pour réduire les émissions des voitures, le temps des constructeurs est désormais compté. La commission européenne les y oblige à partir de 2020 avec un malus applicable aux véhicules émettant plus de 95 grammes de CO2 par kilomètre. De plus en plus pesantes au cours des trois dernières décennies, nos berlines se sont sérieusement mises au régime à partir de 2010. Chez PSA, la nouvelle 208 pèse 100 kilogrammes de moins que la Peugeot 207. Pour atteindre ce résultat, la motorisation et certaines pièces ont dû être entièrement repensées. Une évolution nécessaire, mais pas suffisante.

« On peut pousser les caractéristiques mécaniques de l'acier, pour en réduire l'épaisseur le plus possible. On pense pouvoir économiser 50 kilogrammes d'ici 2020 par ce biais. Mais cela ne suffit pas à atteindre les objectifs européens », note Louis David, expert en matériaux chez PSA Peugeot Citroën. La 208 a d'ailleurs un autre atout minceur : la substitution de certaines pièces en acier par leur équivalent en aluminium, trois fois moins dense.

Le triptyque composites-acier-aluminium

Dans la plupart des modèles, les matériaux composites, encore deux fois moins denses que l'aluminium, sont par ailleurs intégrés pour alléger les pièces structurales de la carrosserie, comme les hayons de coffres. Cette politique de substitution n'est pas sans conséquence pour les assemblages. Car associer des matériaux aux propriétés mécaniques hétérogènes est complexe. Ainsi, une technique comme le soudage, qui implique un chauffage, peut générer des déformations ou des contraintes résiduelles dans une pièce.

« Contrairement à ce que l'on pourrait croire, l'assemblage de l'acier et de l'aluminium n'est pas si bien maîtrisé que cela », estime Pierre Chalandon, responsable du pôle Ingénierie des assemblages du Centre technique des industries mécaniques (Cetim). Ainsi, la soudure de l'un sur l'autre n'est pas possible directement : il faut apporter un troisième métal afin d'assurer la liaison, avec des techniques de type soudo-brasage laser, ou transfert à froid.

Dans le bloc mécanique, l'arrivée d'un nombre croissant de pièces thermoplastiques et en aluminium, devenu la règle pour les carters cylindre de moteur, bouleverse aussi les habitudes. « Comme il est important que les pièces soient démontables, le vissage reste la solution de choix. Le changement concerne avant tout le nombre de points de fixation, souvent plus élevé avec les pièces en plastique, et le niveau de tension appliqué dans l'assemblage », explique Olivier Delcourt, responsable pôle matériaux et procédés mécaniques chez PSA.

Pour la liaison au sol, du fait de la complexité des pièces, l'acier et l'aluminium sont encore préférés aux composites, mais on cherche à réduire la taille des vis pour gagner de l'espace.

Le gros de l'effort de R&D est actuellement concentré sur l'association des composites au métal. Le Cetim a lancé début 2012 un vaste projet sur l'assemblage multimatériaux (Pamm), qui évaluera en particulier tous les procédés compatibles avec les composites : vissage, rivetage, soudage, clinchage, collage. But : dépasser les limites des deux techniques de référence, le rivetage et le vissage.

Le collage devra tenir ses promesses pour séduire

Ce dernier, historiquement lié au secteur aéronautique est ainsi coûteux, nécessite souvent une préparation des surfaces, et un accès des deux côtés de la pièce à assembler. Bien qu'inhabituel sur les chaînes d'assemblages automobiles, le collage, a contrario, offrirait davantage de flexibilité. « On manque encore d'éléments sur la durabilité des colles, d'outils pour contrôler le procédé, et de données sur la tenue mécanique des collages, notamment la résistance au crash », nuance Thierry Renault, directeur des partenariats pour l'équipementier Faurecia.

Le projet Pamm prévoit de s'attaquer à deux des verrous technologiques du collage : l'adhésion aux surfaces et la durabilité. Il s'agit également de fournir aux industriels des outils de calcul et de simulation des assemblages mécaniques collés.

À CHAQUE PIÈCE, UNE TECHNIQUE D'ASSEMBLAGE ADAPTÉE

FAÇADE AVANT TECHNIQUE Anciennement en acier et soudée au châssis, elle est désormais en thermoplastique, polyamide ou polypropylène. Selon les véhicules, elle contient ou non des inserts métalliques et doit être vissée à la caisse en acier. COLLECTEUR D'ADMISSION Un thermoplastique remplace désormais l'aluminium dans le collecteur d'admission d'air. Une quinzaine de vis sont nécessaires pour le fixer au carter cylindre du moteur, en aluminium de fonderie. BLOC AVANT Cette pièce structurelle de la caisse avant est de plus en plus réalisée en aluminium, à la place de l'acier. Elle est rivetée au côté de la caisse qui est quant à elle en acier. CARTER D'HUILE Actuellement en tôle emboutie, le carter d'huile du moteur sera bientôt remplacé par des thermoplastiques résistant à une température de 150 °C. Vingt vis seront nécessaires pour le fixer au carter cylindre. ARMATURES DE SIÈGES Entièrement en acier, elles pourront s'alléger grâce à la production par surmoulage de pièces associant acier et thermoplastique avec une bonne adhérence. Les armatures hybrides seront vissées à l'assise. LONGERONS D'ici quelques années, les longerons en acier pourraient être remplacés par de l'aluminium. Il faudra les souder au châssis en acier, en fusionnant un troisième métal, du cuivre ou du laiton.

RIVETAGE AUTO POINÇONNEUR Ce type de rivetage assemble deux pièces par déformation d'un rivet avec un poinçon. Il permet d'associer des matériaux d'épaisseur et de nature différents, par exemple de l'aluminium à de l'acier ou du plastique à de l'aluminium. VISSAGE Il reste la méthode de choix pour assembler des plastiques ou de l'aluminium à de l'acier. Des vis en acier inoxydable ou en aluminium servent à tenir les deux pièces ensemble. SOUDO-BRASAGE LASER Deux pièces sont associées par fusion d'un métal d'apport, à une température inférieure à celle de la fusion des matériaux constituant les pièces. Sous l'action d'un laser, un fil métallique est fondu et déposé au niveau de la zone de liaison.

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