La conception du squelette permet des autostructures composites plus compétitives

Alors que les fabricants cherchent à réduire le coût des composants composites, les concepteurs s'efforcent d'utiliser les matériaux constitutifs aussi efficacement que possible tout en permettant la production automatisée et l'intégration de plusieurs fonctions. Pour les applications automobiles, ce défi est exacerbé par le besoin de temps de cycle aussi courts que 1 à 2 minutes.

Le surmoulage - moulage par injection de caractéristiques composites thermoplastiques sur des préformes de fibres continues - est une solution possible depuis des années. Par exemple, le projet CAMISMA a démontré un dossier de siège en composite surmoulé en 2014 (voir « Dossier de siège auto de CAMISMA :Composite hybride pour grand volume »). « Mais cette approche a été poussée au niveau supérieur, atteignant désormais une production entièrement automatisée de structures composites thermoplastiques BIW [body-in-white] », explique le Dr Christoph Ebel, directeur du centre d'application et de poids léger de SGL Carbon (Wiesbaden, Allemagne). (LAC, Meitingen, Allemagne).

Cette avancée est due à une approche de conception « squelette » qui est en développement depuis plusieurs années. Comme premier démontré dans le projet MAI Skelett en 2015, le processus implique l'utilisation de fibre de carbone unidirectionnelle (UD) thermoplastique des pultrusions thermoformées et surmoulées au cours d'un processus en deux étapes et 75 secondes pour produire un élément de toit structurel qui dépasse toutes les exigences de la version précédente. Il intègre également des clips pour les fixations et modifie le comportement en cas de collision du mode de rupture fragile au mode de rupture ductile pour une résistance résiduelle BIW accrue (voir « Plus de détails sur le processus de conception MAI Skelett »).

Démonstrateur MAI Skelett

Le projet MAI Skelett de 17 mois a été soutenu par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) et achevé par MAI Carbon, une division régionale de Carbon Composites e.V. réseau (Augsbourg). Mené par BMW (Munich, Allemagne), le projet s'est concentré sur la réalisation d'un démonstrateur spécifique :le cadre de pare-brise, situé entre les deux piliers A au-dessus du pare-brise en verre. Sa conception était basée sur l'actuelle BMW i3 structure, y compris toutes les exigences fonctionnelles et d'espace. Le cadre de pare-brise sert non seulement d'élément structurel transversal pour le toit, mais assure également d'autres fonctions :la rigidité, qui réduit également le bruit, les vibrations et la dureté (NVH); résistance (test de pressage du toit) pour aider à répondre aux exigences de collision ; un support pour les composants intérieurs (par exemple, visière, garniture intérieure, faisceau de câblage pour l'éclairage, etc.), ainsi qu'un support pour les connexions avec le pare-brise, le toit ouvrant et le panneau de toit extérieur.

Le cadre de pare-brise de conception squelette comprenait quatre barres pultrudées renforcées de fibres UD dans les coins de la pièce, encapsulées dans un cadre surmoulé pour fournir une rigidité en torsion et des fixations fonctionnelles de forme complexe. Les profils pultrudés ne sont pas tous dans un même plan, mais sont disposés à des hauteurs différentes :deux sont près du bas de la partie de 60 millimètres de haut et deux près du haut.

Pultrusions dans le cadre de la boîte à outils TP

Pour le cadre de pare-brise MAI Skelett, une section transversale carrée de 10 sur 10 millimètres a été finalisée pour la conception. L'objectif était d'utiliser des fibres de carbone moins chères et plus lourdes. Cependant, la fibre de câble 50K choisie a un emballage serré d'une myriade de filaments qui rend l'imprégnation de la résine plus difficile . « En général, ce défi peut être surmonté par un guidage et un étalement optimisés des fibres pour atteindre une imprégnation optimale et une teneur élevée en volume de fibres d'environ 50 % en volume », explique Veronika Bühler, chef de produit SGL pour les thermoplastiques. SGL maîtrise cette technologie et propose désormais des pultrusions dans sa boîte à outils thermoplastique. « Nous avions déjà une large connaissance des produits semi-finis grâce à nos rubans thermoplastiques, qui sont également à base de pultrusion. Nous avons donc pu adapter rapidement nos technologies de pultrusion actuellement utilisées pour créer nos propres profils. Le processus comprend des tests de qualité pour le volume des fibres, la porosité et la précision dimensionnelle. "Ce dernier est très important en raison de l'automatisation et de la manipulation des robots", poursuit-elle. « Il ne peut y avoir de courbure, par exemple, en raison de contraintes résiduelles dans les profilés pultrudés. »

Au-delà des renforts de pultrusion, les résines thermoplastiques ont également été étudiées dans MAI Skelett. Différents types de polyamide 6 (PA6 ou nylon 6) ont été testés pour déterminer la viscosité et la rhéologie requises pour une qualité et une vitesse de pultrusion optimisées. SGL a proposé une gamme de matériaux pour le projet via sa boîte à outils thermoplastique, qui comprend des rubans UD, des feuilles organiques, des fibres coupées pour les composés renforcés de fibres courtes et longues, et maintenant des pultrusions renforcées UD, tous à base de fibres de carbone SIGRAFIL 50K avec un dimensionnement adapté à une matrice de polypropylène (PP) et de polyamides, dont du PA6 ou du PA6 in-situ. « Il est essentiel d'harmoniser les fibres, l'encollage et la matrice afin d'obtenir des performances optimales des structures composites », explique Bühler.

Elle explique également in-situ PA6 :« C'est lorsque vous faites réagir des monomères de caprolactame, ou un seul monomère avec un catalyseur et un activateur, qui polymérisent ensuite [former de longues chaînes polymères] lors du moulage de la pièce composite. Autrement dit, le caprolactame polymérise in situ dans un polyamide. Bühler note que les polyamides en tant que groupe polymère incluent le PA66 et le PA12, ainsi que certains types de PPA en tant que choix de matrice supplémentaires.

Un autre aspect important de la fabrication du cadre de pare-brise est la capacité des produits semi-finis thermoplastiques à être thermoformés pendant et après le moulage. Cela permet une fonctionnalisation supplémentaire de la forme ainsi qu'une liaison par fusion lors du surmoulage. Les deux étaient des facteurs importants dans la conception du démonstrateur MAI Skelett.

Thermoformage et surmoulage

La production du cadre de pare-brise MAI Skelett a commencé avec des profilés pultrudés en fibre de carbone/PA6. Ceux-ci ont ensuite dû être modifiés pour s'adapter à la forme du composant ainsi qu'à l'introduction de la charge en différents points. Le thermoformage a été choisi pour ce faire, avec le souci principal que la résistance et la rigidité élevées de la fibre de carbone ne puissent être obtenues qu'en la gardant aussi droite que possible. Ceci a été obtenu lorsque les barres pultrudées ont été étirées dans le sens de l'écoulement de la matrice, puis aplaties et pliées aux extrémités des barres (Fig. 1).

La deuxième étape du procédé a consisté à placer les profilés pultrudés thermoformés sous un radiateur infrarouge pour les porter à température en moins de 50 secondes, suivi d'un transfert dans un moule d'injection à l'aide d'un système de manipulation automatisé développé à cet effet. Toutes les pièces du projet ont été produites sur des machines de moulage par injection existantes. Un composé renforcé de fibres a ensuite été surmoulé sur et autour des profilés. La précision était requise à la fois dans le moule et dans le processus lors du surmoulage afin de maintenir en place les quatre barres thermoformées et pultrudées.

Le temps de cycle total pour le processus en deux étapes (thermoformage et surmoulage de pultrusions préfabriquées) était d'environ 75 secondes. « Parce que la matrice thermoplastique est refondue avant le surmoulage, elle permet de former et de coller les barres préfabriquées et thermoformées dans la pièce finie en des temps de cycle très courts », explique Ebel. « En général, la fusibilité des thermoplastiques permet également l'assemblage avec même des composants métalliques », ajoute Bühler, notant que les processus de thermoformage et de moulage par injection des thermoplastiques offrent une excellente reproductibilité et un contrôle des processus, qui sont des facteurs critiques pour la production à grand volume.

Rupture ductile

Profils PPA et PA6 avec des composés de moulage compatibles utilisant des fibres de verre et de carbone ont été évalués pour explorer un mode de défaillance plus ductile pour le composant. Bien qu'un mode de défaillance plus ductile ait réduit la quantité de charge que le cadre de pare-brise pouvait transférer, il a amélioré l'intégrité structurelle du BIW dans son ensemble.

Les méthodes d'analyse comprenaient la modélisation solide, la modélisation des barres d'armature (modélisation de la géométrie où les pultrusions agissent comme des barres d'armature renforçant le surmoulage) et la modélisation à l'aide d'éléments de coque, ainsi que diverses combinaisons de celles-ci. Le logiciel comprenait le solveur EF ABAQUS (Dassault Systèmes, Paris, France) et le solveur de paramètres Dakota développés par Sandia National Laboratories (Albuquerque, N.M., États-Unis). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, Michigan, États-Unis) a été utilisé pour l'optimisation de la topologie.

Bien que BMW n'ait pas spécifié de combinaison de matériaux préférée dans son rapport de projet final, il a conclu que la simulation finale et les résultats des tests ont montré que les composants du squelette a dépassé toutes les exigences de la pièce actuelle en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC), à l'exception de la rigidité en torsion, qui a été déterminée comme n'étant pas un élément clé de la conception du cadre du pare-brise. La conception du squelette dépassait à la fois le niveau de charge et l'absorption d'énergie dans les cas de charge de choc par rapport à la pièce actuelle en PRFC. Il a également réussi à obtenir un mode de défaillance plus ductile, ce qui améliore non seulement les performances de collision de la structure composite, mais également la compréhension de cette performance de collision et son lien avec la structure BIW dans son ensemble.

Futures applications de conception de squelettes

Dans le rapport final du MAI Skelett, BMW a indiqué qu'il avait identifié six autres composants de véhicule qui pourraient bénéficier de la réduction significative des coûts de fabrication, de matériel et d'outillage grâce à l'utilisation de l'approche de conception du squelette. SGL Carbon suggère des applications dans les structures de sièges automobiles et aérospatiales, les tableaux de bord, les bras de robot, les bancs à rayons X et plus encore.

Cependant, l'approche de conception du squelette a été encore développée, s'étendant à multiaxialement éléments soulignés dans le projet de suivi MAI Multiskelett (qui a été mené de septembre 2015 à juin 2017). Il a examiné les zones où les composants porteurs et les profilés pultrudés se croisent, ainsi que les zones d'introduction de charges élevées, en particulier pour les grands composants structurels où plusieurs chemins de charge principaux se croisent. Comme dans le projet Skelett précédent, des conceptions de composants et des lignes de production en série rentables ont été étudiées.

Un exemple de la façon dont la conception du squelette peut optimiser davantage les composants composites existants est l'intérieur avant Carbon Carrier pour un véhicule électrique (Fig. 2) développé par SGL et le spécialiste de la technologie automobile Bertrandt (Ehningen, Allemagne) en 2017. Intégrant tous les principaux composants fonctionnels et de garniture. d'un tableau de bord conventionnel, le Carbon Carrier était basé sur une feuille organique thermoformée comme « colonne vertébrale » porteuse pour ajouter de la rigidité. « À l'avenir, cette pièce pourrait être remplacée par une conception avec des profilés thermoplastiques surmoulés », explique Ebel. « Cela omettrait les opérations de découpe, de drapage et de rognage de la feuille organique. Aussi, la traverse serait obsolète car nous l'intégrerions sous forme de profilés pultrudés et les surmoulerions pour réaliser le design de la planche de bord. Cette pièce surmoulée offrirait également plus d'espace et de flexibilité pour accueillir les éléments attachés requis ainsi que des vis et des clips pour fixer ces éléments ou câbles, etc. »

Ebel admet que ce serait un énorme changement de conception, "mais cela réduit les coûts et rend l'ensemble du composant plus efficace". Il souligne qu'il est possible de concevoir un processus avec presque aucun déchet, aucun déchet car les profilés sont coupés exactement à la longueur nécessaire et aucun renfort en fibre de carbone n'est perdu dans ces étapes ou dans le thermoformage avant le surmoulage. Bühler souligne que les sièges sont également des candidats de choix pour la conception de squelettes. « Dans les composites, ils sont généralement fabriqués avec des tissus ou des rubans et sont toujours des structures en forme de feuille. Mais nous pourrions diminuer l'épaisseur dans la zone plane en intégrant des profils en bas et en augmentant la rigidité. Elle note que les profilés pultrudés ne sont pas le seul produit UD efficace autour duquel il est possible de construire. « Ce pourrait aussi être du ruban adhésif, qui s'adapte facilement aux chemins de charge de chaque pièce. »

« Nous visitons de nombreuses entreprises au Lightweight &Application Center », déclare Ebel. « La conception du squelette en tant que concept innovant supplémentaire a suscité beaucoup d'intérêt et est considérée comme très prometteuse par nos visiteurs. » Il explique que le centre a renforcé ses capacités de conception et peut aider les entreprises à intégrer des idées innovantes telles que le concept de squelette pour ouvrir un nouvel espace de conception pour les futurs composants à haute efficacité matérielle.

« Il existe de nombreuses applications pour lesquelles nous pouvons utiliser des conceptions similaires au cadre de pare-brise », explique Bühler. « Il est important pour l'industrie de passer d'un drapage quasi-isotrope, qui laisse une grande partie de la résistance et de la rigidité de la fibre de carbone sur la table. Au lieu de cela, nous devons exploiter des formes matérielles plus efficaces, en mettant chaque matériau uniquement là où il est nécessaire. C'est ce dont l'industrie a besoin pour l'avenir. »