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Une obsession : la perte de poids

Thierry Mahé

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Aluminium, magnésium, composites côté matériau, hydroformage côté procédé, logiciels de simulation... tout est bon pour alléger les véhicules. Mais pas à n'importe quel prix...

Si un facteur suscite la percée de nouveaux matériaux dans l'automobile, c'est l'allégement. Avec une large palette de solutions qui vont de la substitution pièce à pièce, à une reconception de la structure, à matériau invariant. Dans le premier cas, se rangent les programmes mettant en avant l'aluminium, le magnésium, les structures composites... Au second volet se retrouvent de nouveaux process (nouveaux pour l'automobile) comme l'hydroformage.

Ce dernier thème est l'objet du projet "3D-Structures" piloté par le centre de recherche de Fiat. Il proposait l'hydroformage - c'est l'eau sous pression qui donne la forme - sur une structure d'acier double feuille. Ici, on obtient un comportement mécanique équivalent, mais avec moins de matière.

De nombreux travaux sur le magnésium

Le programme a satisfait à son objectif initial d'une réduction de 10 % du poids - 30 % par l'usage d'alliages d'aluminium. Dans le même temps, Volvo a pu développer le procédé Kinematic Bending - composants tubulaires de structure - dans le cadre des projets Hydrotube et Hydrosheet.

Dans l'automobile, il ne suffit pas que les matériaux soient intrinsèquement meilleurs. Il faut aussi que les procédés soient parfaitement caractérisés et reproductibles, et cela passe par le développement de logiciels de simulation. C'est le thème central du projet 3DS, centré sur la fonderie de l'aluminium et des aciers haute résistance, en particulier la prévision de la formation de défauts. La simulation du moulage de l'aluminium est un sujet porteur qui est également au centre du projet Ideal (Integrated Development Routes for Optimised Cas Aluminium) animé par Fiat. Ce projet, qui s'achève en 2005, élabore des modèles numériques à l'échelle des micro-structures de la matière et se prolonge dans l'évaluation de post-traitements innovants comme le procédé LHIP (Liquid Hot Isostatic Pressing).

Si le magnésium tarde à faire une percée décisive, ce en dépit de sa légèreté (36 % plus léger que l'aluminium), c'est en partie parce que sa tenue à la corrosion et à l'abrasion pose encore des problèmes. Une voie prometteuse, les revêtements nanocomposites sont au coeur du programme NanoMag qui caractérise en particulier des peintures à base de nanotubes de carbone ou de la catalyse en couche très mince (nanocatalyse).

La mise en forme du magnésium par extrusion hydrostatique (huile sous pression) fait l'objet du projet Magextrusco, piloté par Audi. Ce procédé, qui convient pour former des tubes en aluminium, est au moins cinq fois plus lent dans le cas du magnésium, en raison de la fragilité du métal aux forces de friction. Ce qui en écartait jusqu'ici l'usage. Le procédé semble aujourd'hui fiable économiquement, la vitesse d'obtention de l'extrudé en magnésium ayant été amenée à 100 m/min.

Penser en amont à la sous-traitance

Toujours concernant le magnésium, cette fois pour en développer l'usage dans des pièces de moteurs, le programme MG-Engine a formulé de nouveaux alliages pour améliorer son comportement aux hautes températures. Et diminuant, du moins sur le papier, le poids d'un moteur de 27 % - par rapport à une technologie aluminium.

Surtout, le magnésium suscite le très ambitieux programme MG-Châssis (2001-2005), regroupant Fiat, Opel, DaimlerChrysler et Volkswagen. Opel et Fiat ayant conçu des pièces de démonstration dans le domaine moteur. Volkswagen s'étant focalisé sur des composants de la transmission. Ce dernier cas se solderait par une économie de poids de 30 % par rapport à l'aluminium.

Réduire la consommation passe par de nouveaux traitements tribologiques pour les pièces en mouvement, pistons et autres pièces de boîtes de vitesses. On dispose d'une marge de progrès dans le traitement de surface, afin de réduire encore les frottements. Exemple, le projet Nanocoat pour le dépôt sous vide de couches nanométriques. Un frottement réduit de l'ordre de 10 % a pu être obtenu.

Les structures composites à base de carbone ne conviennent pas à toutes les pièces. En effet, la nappe de textile pré-imprégné à fibres de carbone ne peut épouser des courbures trop complexes à cause des plis qu'elles engendrent. Et dans ce domaine, il y a encore du chemin pour passer de l'empirisme à des calculs de simulation déterministes. Par ailleurs, la juxtaposition de familles de matériaux très éloignées suppose encore un gros travail dans les méthodes de collage et de fixation.

Un autre problème tient au fait que les innovations de rupture supposent de nouvelles structures de sous-traitance. Dans le cas des structures composites à base de carbone, pas facile d'amener les sous-traitants de l'aéronautique, familiers de ces technologies, à s'acclimater aux contraintes de l'automobile... Cette dimension industrielle a été prise en compte dans nombre de programmes, associant aux constructeurs des équipementiers comme le suisse Alcan Airex, spécialiste des mousses, travaillant notamment dans le ferro-viaire, ou le français Sotira (résines armées pour le sport automobile).

Au chapitre environnement, le projet Chromatex, concernait les procédés de substitution du chrome hexavalent - cancérigène - par le chrome trivalent. La France, la Belgique, l'Espagne et la Suède y étaient associées, au côté de la SATS (syndicat des entreprises de revêtement). On ne parle pas ici du chromage mais de traitements de passivation contre la corrosion et pour l'accrochage de la peinture. Beaucoup des aspects défrichés dans le cadre du 5e PCRD vont se prolonger dans le 6e PCRD, en particulier dans son volet "Super Light Car".

60% en automobile et matériaux

Pourcentage des projets en cours à participation française dans le cadre du 5e PCRD : 60% en automobile et matériaux

FIBRE DE CARBONEPOUR PRODUIRE À BAS COÛT

Le programme Tecabs (Technologies for Carbon Fiber Reinforced Modular Automotive Body Structures, technologies pour les structures modulaires de caisses automobiles en fibre de carbone renforcé) s'est achevé en mars dernier. Quatre constructeurs y étaient associés : Volkswagen, le coordinateur, Renault, Volvo et DaimlerChrysler. Christophe Binetruy, de l'École des mines de Douai (Nord) relate : « Le but était d'amener la fibre de carbone, dont l'atout est la légèreté, dans l'automobile à un coût et avec une productivité acceptables pour les constructeurs. Nous nous sommes consacrés à une pièce de géométrie complexe - renforts et courbures complexes - le plancher de la VW Lupo : huit pièces réalisées en moulage RTM (moule fermé), puis collées. Le bilan est positif puisqu'on a démontré qu'une cadence de 50 véhicules/jour avec un temps de cycle de 15 minutes est réalisable. Ce qui conviendrait pour des véhicules de niche. » Une méthodologie de benchmarking En fait, l'objectif du programme Tecabs était plus ambitieux : concevoir une méthodologie de benchmarking pour déterminer quel matériau et quelle technologie satisfont au mieux les contraintes du cahier des charges, notamment aux regards de la quantité à produire. Au cours de ce programme, le spécialiste français des logiciels de simulation ESI a pu adapter ses outils numériques aux lois de comportements mécaniques des structures de carbone.

L'ESSENTIELLES AXES MAJEURS DE RECHERCHE

Moulage de pièces de structure complexe en fibre de carbone à cadence élevée - Obtention de structures d'acier allégées par hydroformage - Dépôts nanométriques sous vide pour les pièces en mouvement - Outils de simulation numérique prédictifs pour les structures de caisses composites comme pour la fonderie - Mise en forme, nouveaux alliages et traitements de surface pour les pièces en magnésium - Utilisation d'aciers hautes performances

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