Porte thermoplastique une première pour les composites automobiles

Les équipementiers automobiles et les constructeurs de niveau 1 sont aux prises avec la nécessité de réduire la masse des véhicules pour atteindre les objectifs d'économie de carburant et d'émissions de carbone. Les matériaux composites ont le potentiel de contribuer de manière significative à cette poussée d'allègement dans de nombreux domaines, mais le coût, les problèmes de conception, un traitement peu familier et la concurrence d'autres matériaux continuent de présenter des obstacles. Pour surmonter ces problèmes, de nombreux projets étudient comment les composites peuvent être intégrés dans des structures automobiles multi-matériaux pour un bénéfice maximal.

Le Clemson University (Clemson, SC, US) Composites Center, le Clemson University International Center for Automotive Research (CU-ICAR) et Honda R&D Americas (Raymond, OH , US), avec le soutien du University of Delaware Center for Composite Materials (CCM, Newark, DE, US) et un financement du US Department of Energy (DOE, Washington, DC, US).

L'objectif du projet, selon le chercheur principal Dr. Srikanth Pilla, qui est le professeur Jenkins Endowed of Automotive Engineering et Dean's Faculty Fellow à Clemson, est de savoir si les composites peuvent permettre aux systèmes de fermeture ultra-légers - portes, capots, couvercles de coffre - de compléter les avancées simultanées de la technologie du groupe motopropulseur et une meilleure aérodynamique :« Au sein du portefeuille de technologies pour l'allègement, une grande partie des « fruits à portée de main » a déjà été mise en œuvre - par exemple, la réduction de la taille du moteur. Nous pensons qu'il existe un potentiel de gains d'efficacité dans le domaine des systèmes de fermeture structurelle porteurs à un prix raisonnable. »

La collaboration, l'équipe sont la clé

Le projet de quatre ans, qui a débuté en 2016, est né d'une sollicitation du DOE, dans le cadre de la série de Grands Défis de l'administration Obama visant à faire avancer la science et l'ingénierie sur de nombreux sujets, notamment le respect des normes d'émissions automobiles. L'appel d'offres demandait la conception et le développement d'une porte de voiture offrant une réduction de poids de 42,5% par rapport à une porte OEM standard, tout en maintenant des performances de collision, de durabilité et d'utilisation/abus similaires, et des performances similaires en matière de bruit, de vibrations et de dureté (NVH). . Et, quelle que soit la façon dont la porte légère a été conçue, elle devait utiliser des systèmes de matériaux disponibles dans le commerce et s'adapter à des volumes de production d'au moins 20 000 véhicules par an.

Honda s'est joint à nous en tant que conseiller OEM du projet de recherche parce que le projet s'alignait sur « notre vision de créer à terme une société sans émissions », a déclaré Skye Malcolm, ingénieur principal, Advanced Planning &Verification Vehicle Development Foundations chez Honda R&D Americas. Honda a également ajouté ses propres contraintes au projet. référence et répondent aux exigences de durabilité et de vieillissement de Honda. L'équipe a apporté un objectif supplémentaire que la porte soit 100% recyclable. Peut-être le plus important, le DOE a imposé un coût maximum autorisé par livre de poids économisé (au-dessus de la porte de référence) de 5 $. Cela signifiait que pour une Acura typique MDX porte pesant 31,8 kg, une réduction de poids de 42,5 % porterait le poids cible global à 18,3 kg, ce qui (à 5 $/lb de poids économisé) signifiait que la porte composite ne pouvait qu'ajouter 150 $ au coût de la porte.

Plusieurs étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs, le Dr Gang Li, professeur d'ingénierie mécanique à Clemson, et les Drs. Bazle Haque et Shridhar Yarlagadda du CCM de l'Université du Delaware, experts en composites multi-matériaux. Yarlagadda, co-chercheur principal du projet, souligne :« Honda a fait partie intégrante de nos efforts et a fourni un niveau exceptionnel de collaboration et d'engagement envers notre programme, y compris le support informatique HPC et l'accès aux ingénieurs Honda à travers le spectre. La conception, la fabrication et l'intégration de composants composites doivent être associées à un certain nombre d'exigences « douces » définies par le client pour créer une conception de système acceptable, et cela n'aurait pas été possible sans le soutien de Honda. » Ce sentiment est partagé par les autres membres de l'équipe, ajoute Pilla :« La simple substitution de matériaux n'était pas une solution. Nous avons dû adopter une approche systémique et Honda nous a aidés à comprendre tous les éléments du système de porte jusqu'au niveau des composants. En effet, leur partenariat et leur implication sont sans précédent. »

Concevoir une nouvelle porte

L'analyse initiale comprenait l'analyse comparative d'autres efforts OEM en matière de fermetures légères pour des modèles de marché limités, y compris le cadre de porte en aluminium d'Audi pour son A8 modèle, la Porsche Panamera cadre de porte en magnésium et BMW i8 cadre de porte thermodurcissable renforcé de fibre de carbone. Cependant, aucune de ces approches OEM précédentes n'a atteint les objectifs de coût ou de poids de ce projet. Pilla déclare :« Je voulais faire partie de quelque chose qui profiterait à l'avenir, qui contribuerait à une économie circulaire. Une porte thermoplastique n'avait jamais été tentée auparavant, et elle serait recyclable. Comparés à d'autres matériaux candidats, notamment les composites thermodurcissables, l'aluminium et l'acier, les thermoplastiques offraient non seulement une recyclabilité, mais aussi un potentiel très élevé d'allègement et des vitesses de traitement rapides (par rapport aux thermodurcissables) pour atteindre les objectifs de production.

Avec l'Acura MDX d'origine porte comme référence (Fig. 1), l'équipe a décomposé son mix de matériaux :62 % métal, 21 % polymère rigide rigide, 13 % verre et 4 % élastomère. La plus grande opportunité d'allègement, 60%, viendrait du cadre de porte métallique, que l'équipe avait l'intention de réduire d'un poids de base de 15,4 kg au poids cible de 6,2 kg. Bien qu'il n'y ait eu aucune chance de réduire le poids des composants internes et de l'électronique de la porte (haut-parleur radio, servomoteur pour lever et abaisser la vitre, serrure de porte, etc.), l'équipe a déterminé que le poids de la vitre pouvait être réduit de 20 %, ce qui le diluant de verre mais sans compromettre les métriques cibles de NVH et de durabilité. De plus, l'équipe a estimé que le poids des éléments de garniture sur la surface intérieure de la porte pourrait être réduit de 30 %, voire éliminé.

Les principales tâches du projet se sont déroulées simultanément pendant les deux premières années. Certains membres de l'équipe ont travaillé sur la génération de données sur les matériaux, tandis que d'autres se sont attaqués aux spécificités de la conception des portes. Le groupe de données sur les matériaux a généré des données d'essai de matériaux pour une variété de thermoplastiques - rubans continus, tapis, polymères renforcés de fibres courtes et longues et plus - afin de déterminer les matériaux candidats pour le cadre intérieur et le panneau extérieur ; les matériaux ont été fournis par un certain nombre de partenaires fournisseurs de l'industrie. Les données ont été évaluées via des graphiques en toile d'araignée, la résistance globale, la résistance au cisaillement, le coût admissible, la densité admissible, la rigidité et la ténacité constituant les axes du graphique.

Les options de matériaux les plus performantes après l'évaluation initiale des données - les rubans de fibres continues et les longues pastilles thermoplastiques renforcées de fibres - ont subi une modélisation des matériaux, explique Pilla :« Il a été possible de construire une simple matrice de rigidité orthotrope des matériaux pour les rubans de fibres loi." Pour le polymère renforcé de fibres longues, cependant, des simulations secondaires étaient nécessaires pour prédire la résistance et la rigidité d'une pièce de porte moulée par injection, en raison de l'anisotropie introduite à la fois par la géométrie de la pièce finale et le processus de remplissage du moule. Pilla ajoute :« La modélisation de ces matériaux à fibres longues est difficile, car peu de choses ont été faites sur la simulation. » Pour rassembler les données nécessaires, l'équipe a développé une boucle d'optimisation de fabrication. Les formes génériques des pièces pour le cadre intérieur et le panneau extérieur de la porte ont été générées avec le logiciel de conception 3D SolidWorks de Dassault Systémes (Waltham, MA, États-Unis) ; des simulations de remplissage de moules de ces formes ont été réalisées pour déterminer les vecteurs d'écoulement à l'aide du logiciel Moldex3D de Moldex (Chupei City, Taiwan) ; la dynamique de fusion et la collusion ont été analysées pour déterminer l'orientation des fibres via le logiciel Digimat d'e-Xstream (Hautcharage, Luxembourg, une société Hexagon) ; et les orientations des fibres cartographiées ont été utilisées pour générer une matrice de rigidité à l'aide d'outils d'analyse par éléments finis (FEA), y compris les cartes de matériaux fournies par la solution HyperWorks CAE d'Altair Engineering Inc. (Troy, MI, États-Unis). Au fur et à mesure que les formes des pièces étaient modifiées et que les matériaux étaient testés, la boucle d'optimisation a été répétée plusieurs fois.

Parallèlement, d'autres membres de l'équipe ont travaillé sur le développement de concepts de portes réels et, éventuellement, sur des simulations d'outillage et de fabrication. À partir d'esquisses et d'une sélection de matériaux de haut niveau, une gamme de conceptions a été créée. Ensuite, des modèles CAO approximatifs ont été générés, ainsi que des simulations FEA initiales pour des cas de charge statiques simples. À l'automne 2016, dit Pilla, un atelier de conception a eu lieu à CU-ICAR où l'équipe a réduit les options de concept de porte à sept, pour un travail ultérieur. « Notre philosophie de conception dès le départ était de maximiser l'intégration fonctionnelle des pièces et des matériaux, de minimiser le nombre de pièces, de maximiser l'efficacité des matériaux utilisés grâce à l'optimisation et de simplifier l'assemblage », explique Pilla.

À ce stade, des modèles CAO détaillés ont été générés et des simulations FEA ont été effectuées pour chaque concept afin de valider les performances statiques conformément aux objectifs de Honda. En tenant compte de la fabricabilité et de l'intégration des sous-systèmes, le Concept 7 (une approche de cadre spatial) a commencé à converger vers le Concept 2 (un cadre structurel en une seule pièce), donc l'équipe a décidé de continuer avec le Concept 2, en incorporant les leçons apprises de l'approche de cadre spatial . Ce concept se compose de quatre éléments :le panneau extérieur de classe A, les intérieurs de porte, un cadre ou panneau intérieur et les éléments de garniture intérieure.

Intérieur multi-matériaux, extérieur Classe A

L'équipe a sélectionné les matériaux et les procédés de fabrication pour la conception finale de la porte à la mi-2018, avec un gel de la conception le 15 janvier 2019 ; la fabrication d'outillage et le prototypage ont commencé. La figure 2 montre les détails du cadre intérieur de 1,2 mm d'épaisseur et de ses composants (le panneau extérieur de classe A n'est pas illustré). « Beltline » fait référence à une ligne de style formée par le bord inférieur de la vitre, où des raidisseurs ont été placés pour aider à soutenir les panneaux composites moulés. Pilla note que la poutre anti-intrusion, pour la protection des passagers en cas de choc latéral, devait rester en acier pour maintenir le poids global de la porte inférieur - une poutre composite avec les mêmes performances aurait été trop lourde. Un élément clé de la conception est le système de fixation pour relier le cadre intérieur au panneau extérieur. Pilla explique :« Le panneau extérieur de classe A sera fixé à la porte à la fin de la chaîne de montage, ce qui permettra aux associés d'installer facilement les éléments internes de la porte au préalable, et d'éviter également tout dommage à la surface de classe A pendant l'assemblage. » Les caractéristiques d'encliquetage moulées sur le cadre intérieur sont réglables pour s'adapter aux tolérances de fabrication dans la direction Y, ajoute-t-il, tandis que les trous oblongs pour les attaches métalliques aident à compenser les tolérances de fabrication dans les directions X et Z, lors de l'assemblage.

Pour aider à réduire le poids, la conception actuelle de la porte n'a pas de panneau de garniture intérieure conventionnel. Au lieu de cela, quelques pièces moulées fonctionnelles ont été conçues, notamment une poche pour carte moulée par injection, un accoudoir en bois naturel contre-moulé avec du plastique ABS et un rembourrage en cuir laminé avec de la mousse. Ensemble, ces pièces pèsent 1,34 kg, par rapport au panneau intérieur de base à 3,49 kg. Pilla dit que l'équipe s'attend à gagner plus de poids grâce à l'optimisation de la conception.

Actuellement, l'analyse et l'optimisation FEA sont en cours, pour modéliser à la fois les cas de charge statiques et les charges de collision dynamiques auxquelles la porte composite devra résister. Les cas de charge statique à eux seuls sont intimidants et incluent l'affaissement de la porte, la rigidité de la ceinture de caisse, la rigidité du montage du rétroviseur, la rigidité de la traction de la poignée de porte et plus encore. Le test de charge dynamique, dit Pilla, se compose pour l'instant du test quasi-statique de poteau de la Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 214, dans lequel une porte de véhicule est écrasée vers l'intérieur par un poteau (qui manque le toit et la carrosserie) sur 18 pouces. tandis que toutes les exigences de force minimale sont maintenues :« Ce cas est le moins gourmand en calculs par rapport aux deux autres tests de collision [le 75 ° FMVSS 5 ^e Percentile Female (AF5) Pole test et l'Insurance Institute for Highway Safety Side Impact Criteria Evaluation (IIHS SICE) test]. Cela nous permettra de mener davantage d'expériences de conception et de boucles d'optimisation. »

Gang Li ajoute :« L'intégration du processus de fabrication des composites et des simulations de performances structurelles avec des algorithmes d'optimisation est à la fois intrigante et stimulante. Alors que le défi réside dans la complexité du système et l'échelle des calculs impliqués, une telle intégration fusionne les espaces de conception de la structure, des matériaux et des processus de fabrication et nous offre plus d'opportunités pour l'allègement et l'amélioration des performances. Et, en répondant à ce cas de charge d'essai sur poteau, la porte est sur le point de répondre aux deux autres tests d'impact sur les poteaux et latéraux, ajoute-t-il.

« Jusqu'à présent, nos tests montrent que la porte composite répond facilement aux exigences fédérales, mais les performances complètes de notre porte Acura de base sont bien supérieures à ces exigences », explique Pilla. Les résultats de la FEA jusqu'à présent montrent que la porte composite légère absorbe plus d'énergie que la porte de base (23,59 kJ contre 15,34 kJ), ce que Pilla attribue à la capacité des composites à absorber une énergie de déformation supplémentaire après la limite élastique initiale. Mais, les simulations montrent que des améliorations peuvent être apportées, à la fois au raidisseur extérieur de la ceinture de caisse et à l'architecture de renfort du cadre intérieur.

Avec un an restant dans le calendrier initial du projet, le groupe génère des simulations de fabrication et des approches d'outillage ; créer un plan de production de masse pour la mise à l'échelle et les coûts estimés d'une ligne de production ; et la production de prototype(s) pour les tests de performances mécaniques et de collision, les tests d'ajustement et de finition et le vieillissement accéléré.

Dit Pilla, « La porte composite n'atteint toujours pas l'objectif, en raison de l'épaisseur des panneaux, et elle n'est pas complètement optimisée. Bien que nous soyons beaucoup plus légers que la ligne de base en acier, nous n'avons pas encore atteint notre objectif de réduction de poids de 42,5%, mais nous sommes optimistes que nous pouvons l'atteindre. Un prototype de porte pour l'ajustement et les tests fonctionnels sera bientôt prêt. L'équipe du projet pense que les matériaux et les technologies développés pour cette porte peuvent facilement être adaptés à d'autres composants automobiles (par exemple, des pièces boulonnées et de carrosserie en blanc), et le coût d'infrastructure relativement faible des processus composites peut permettre de nouveaux OEM et fournisseurs à mettre en œuvre ces technologies — une victoire pour les composites automobiles.