Les thermoplastiques hybrides confèrent une résistance aux chocs du plancher de chargement

Un ambitieux programme pluriannuel du consortium allemand System Integrated Multi-Material Lightweight Design for E-mobility (SMiLE) a développé un module de plancher de chargement automobile de démonstration qui fait partie d'une plus grande structure hybride de carrosserie en blanc (BIW) et qui montre grande promesse pour l'utilisation des composites et des métaux non ferreux dans un environnement de production de volume moyen. Le plancher de chargement arrière de ce véhicule électrique à batterie (BEV) est composé de deux types de composite thermoplastique, ainsi que de profilés et d'inserts métalliques. Il fait office de plancher de coffre et d'habitacle arrière. À son tour, il est lié de manière adhésive et mécanique à un deuxième plancher de chargement composite hybride/thermodurci, qui est moulé par transfert de résine (RTM'd) à partir d'époxyde renforcé de fibres de carbone avec des inserts métalliques et des structures sandwich locales contenant des noyaux en mousse de polyuréthane. Cette structure est le plancher de la moitié avant du véhicule et contient ses batteries. Le module de plancher de chargement complet est collé et vissé sur des bascules/rails latéraux en aluminium, eux-mêmes boulonnés aux traverses de la monocoque en aluminium du véhicule. L'ensemble du démonstrateur de module de plancher de chargement a été conçu pour réduire la masse et fournir une absorption d'énergie de collision significative pour un véhicule de production en série avec des volumes de construction de 300 voitures/jour.

Décisions de conception

Les membres du consortium qui ont travaillé sur le plancher de chargement arrière comprenaient les constructeurs automobiles Audi AG (Ingolstadt, Allemagne, également leader de l'ensemble du programme SMiLE) et le propriétaire d'Audi Volkswagen AG (Wolfsburg, Allemagne) ; Institut de technologie des systèmes de véhicules de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT-FAST, Karlsruhe, Allemagne); Institut Fraunhofer de technologie chimique (F-ICT, Pfitztal, Allemagne, leader pour les projets de planchers de chargement avant et arrière) et Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux (F-IWM, Fribourg, Allemagne) ; fournisseur de composites thermoplastiques BASF SE (Ludwigshafen, Allemagne); machines OEM Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau (Eppingen, Allemagne), et outilleur/mouleur Frimo Group GmbH (Lotte, Allemagne).

a décision a été prise de réaliser le plancher de chargement arrière en composites thermoplastiques avec inserts métalliques. L'équipe souhaitait ajouter des caractéristiques de coffre et des structures de fixation de ceinture de sécurité à la deuxième rangée, mais elle souhaitait également utiliser le plancher de chargement pour absorber les énergies de collision importantes. Normalement, les constructeurs automobiles s'appuient principalement sur des profilés métalliques sur les côtés des planchers de chargement métalliques pour gérer les énergies de collision arrière sur les véhicules de tourisme. Cependant, étant donné la résistance aux chocs des composites thermoplastiques, les chercheurs se sont demandé si toute la largeur et la longueur d'un plancher de chargement composite pouvaient être utilisées pour gérer les charges de collision. Ils se sont également demandé si des énergies de crash plus élevées pouvaient être absorbées.

Les chercheurs ont examiné les composites thermoplastiques automobiles courants. Les matrices en polypropylène (PP) et en polyamide 6 (PA6) ont été prises en compte, mais le PP a été éliminé pour des raisons de température puisque le plancher de chargement arrière se déplace avec le BIW à travers le processus antirouille du revêtement électrophorétique à haute température (e-coat). Un renforcement continu en fibres était nécessaire pour obtenir la rigidité et la résistance les plus élevées, les travaux préliminaires se sont donc concentrés sur des feuilles organiques renforcées de tissu (une forme de composite thermoplastique à mat de verre (GMT)) et des préimprégnés thermoplastiques unidirectionnels (UD). Pour de nombreuses raisons, les bandes ont été sélectionnées pour un prototypage ultérieur.

Les chercheurs savaient que la géométrie du plancher de chargement arrière serait complexe. L'utilisation de machines automatisées de pose de ruban (ATL) - qui placent les rubans UD dans n'importe quelle orientation et font des fenêtres/trous avec moins de matériau que les feuilles organiques - réduirait les déchets, la masse et le coût, et permettrait l'utilisation la plus efficace des fibres localement et globalement à travers le partie. De plus, étant donné que les fibres placées via ATL sont plates et parallèles dans chaque couche de la pile de plis et ne sont pas tissées comme des tissus, il n'y a pas d'ondulation et de perte de rigidité et de résistance qui en résulte.

Les rubans UD ont cependant des limites :ils sont relativement chers et ont une faible drapabilité avec presque aucun écoulement, ce qui rend difficile le remplissage de géométries complexes. Ces problèmes ont été résolus en utilisant sélectivement des composites thermoplastiques à fibres longues directes discontinues/hachées (D-LFT), qui sont fluides, permettent des niveaux élevés d'intégration fonctionnelle/consolidation des pièces et sont beaucoup plus faciles à former en nervures complexes sans pontage de fibres, tout en pouvant absorber une énergie de collision importante. Avec D-LFT, il est également plus facile d'insérer des fixations métalliques, en particulier si les inserts sont pré-percés afin que les trous permettent au composite de s'écouler à travers et autour du métal, créant une forte liaison via un verrouillage mécanique. De plus, le D-LFT est moins coûteux que les rubans ou les feuilles organiques et beaucoup plus facile à mouler en sections épaisses. Composé côté presse, D-LFT simplifie la gestion des stocks de matériaux et offre une grande flexibilité sur les programmes de développement pour modifier rapidement les caractéristiques des matériaux - longueur et type de fibre, fraction de volume de fibre (FVF) et matrice - au fur et à mesure que les pièces sont fabriquées et évaluées. Pendant la production, les paramètres de matériau/processus sont contrôlables pour atteindre des niveaux élevés de répétabilité et de reproductibilité (R&R), c'est pourquoi l'automobile a utilisé le processus pour la production de volumes moyens à élevés pendant près de deux décennies.

Parce que les chercheurs voulaient garder le plancher de chargement arrière mince et léger et capable de résister au flambage tout en absorbant les charges d'impact élevées, ils ont effectué des simulations et un développement initial grâce à des tests sur de petites pièces avec des rubans renforcés de fibres de verre et de carbone et D-LFT à différentes fibres -fractions pondérales (FWF) pour évaluer les performances mécaniques par rapport au comportement de remplissage. Bien que les composites de carbone aient produit des structures plus minces, plus légères et plus rigides que le verre, car le coût était également un problème et le plancher de chargement avant utilisait déjà un renfort en fibre de carbone, les chercheurs ont sélectionné le verre pour renforcer le plancher de chargement arrière lors de la mise à l'échelle vers des pièces pleine grandeur. L'Ultramid B3K PA6 D-LFT avec 40 % en poids de fibre de verre et huit couches d'Ultratape B3WG12 PA6 avec 60 % en poids de fibre de verre, tous deux de BASF, ont été utilisés.

Après de nombreux travaux de simulation, le 1,3 m sur 1,3 m La conception finale du plancher de chargement arrière comprend une structure à coque mince, presque en filet, produite à partir de rubans UD préconsolidés dans un stratifié entrelacé avec une zone d'écrasement D-LFT plus épaisse (voir Fig. 2). Grandes ondulations, également en ruban UD ,   avec des creux profonds (50 mm de haut sur 115 mm de large) ont été moulés le long de l'axe longitudinal de la pièce pour une rigidité élevée à faible masse et épaisseur. De plus, deux fenêtres ont été formées pendant la pose du ruban pour permettre au D-LFT de pénétrer à travers le stratifié jusqu'à l'endroit où il était nécessaire. Étant donné que les ondulations profondes sont difficiles à former dans les grands stratifiés, il a été nécessaire de modifier à la fois le processus de moulage et l'outil pour produire de bonnes pièces (voir « Comment la recherche sur un module de plancher automobile a conduit au développement d'un nouveau sous-processus de moulage par compression/D-LFT »). Ces ondulations, associées à deux charges de D-LFT qui ont formé des nervures complexes dans des structures en treillis en forme de X, génèrent un moment d'inertie élevé pour la zone, augmentant la rigidité des pièces dans la conception mince et légère tout en évitant le flambage en cas de collision. Les treillis D-LFT à l'arrière de la pièce formaient une zone d'écrasement pour absorber l'énergie en cas de collision arrière. Des profilés en aluminium ont été intégralement moulés sur les côtés axiaux du plancher de chargement et collés au D-LFT et au stratifié via des traitements de surface spéciaux ainsi que des trous qui assurent le verrouillage. Ces profils ont été soigneusement conçus pour augmenter encore la rigidité de la pièce, offrir un bon comportement au flambage et transférer la force dans la zone d'écrasement D-LFT lors d'un crash. Ils fournissent également des points de fixation pour le montage direct du plancher de chargement arrière sur les structures métalliques environnantes. Des inserts métalliques supplémentaires, également intégralement moulés dans la structure, ont fourni un montage direct pour les serrures de ceinture de sécurité.

Implémentation réussie

Des travaux de simulation ainsi que des tests de petites et grandes pièces ont permis de vérifier que l'ensemble du plancher de chargement arrière hybride pouvait être utilisé pour gérer les charges de collision. Une évaluation plus poussée a révélé que cette technologie devrait être aussi sûre que les structures métalliques conventionnelles.

Un objectif plus vaste du projet :réduire la masse totale du BIW à 200 kg — a été théoriquement atteint lors de la simulation et du développement de petites pièces. Cependant, au fur et à mesure que le projet évoluait, de meilleures performances en cas de collision étaient souhaitées, ce qui nécessitait d'ajouter de la masse aux structures composites. De plus, des considérations de coût ont conduit à passer du renfort en fibre de carbone au renfort en fibre de verre pour le plancher de chargement arrière. Le plancher de chargement arrière avec inserts qui en résulte pèse 32,9 kg, tandis que le plancher de chargement avant (avec inserts mais sans batteries) pèse 12,1 kg. Pour les pièces d'essai finales, l'objectif de masse n'a été manqué que de 4,3 % pour obtenir une sécurité accrue et des coûts inférieurs. Le SMiLE BIW serait également plus coûteux que les systèmes métalliques conventionnels en raison de l'utilisation intensive de renforts en fibre de carbone dans le plancher de chargement avant.

Le projet de plancher de chargement arrière a conduit au développement par F-ICT d'un sous-processus D-LFT/compression appelé LFT local avancé sur mesure , qui applique sélectivement le matériau D-LFT à des structures largement constituées de rubans UD pour produire des géométries localement complexes (comme des nervures) qui ne peuvent pas être réalisées avec des rubans. Une autre technologie F-ICT développée avant SMiLE mais utilisée sur le projet est une méthode pour chauffer et consolider rapidement des bandes thermoplastiques via consolidation sous vide induite par rayonnement une technologie maintenant disponible dans le commerce auprès de Dieffenbacher sur une machine appelée Fibercon.

Remarquablement, le processus expérimental et l'outil très complexe produits par Frimo ont fonctionné dès le départ et plus de 100 pièces de démonstration ont été produites pour des tests et des démonstrations ultérieurs. Bien que l'équipe ait conçu le processus de moulage pour qu'il se fasse en une seule étape, le Dr-Ing. Sebastian Baumgärtner, chef d'équipe F-ICT pour le traitement des thermoplastiques et chef du projet de plancher de chargement arrière, estime que dans un environnement de production, il serait plus efficace de former cette pièce complexe en deux étapes, avec le préformage du stratifié effectué dans un outil séparé. "Nous avons choisi d'essayer d'abord le processus en une étape plus difficile et cela a bien fonctionné", explique Baumgärtner. « Cependant, l'outil était très complexe et le contrôle du processus n'était pas si facile. Si le stratifié devenait trop chaud par endroits, il avait une interaction très forte avec les brins LFT. Pour assurer une bonne répétabilité lors de la production, il vaudrait mieux simplifier les choses et choisir un process en deux étapes, qui serait plus robuste. Néanmoins, étant donné la grande taille de cette pièce composite et le processus complexe utilisé pour la former, l'équipe était très satisfaite des résultats finaux. "Nous avons démontré que nous pouvions produire une pièce innovante et économique qui était optimisée en termes de poids et de performances et présentant une intégration fonctionnelle élevée à l'aide d'une technologie commerciale", ajoute-t-il.

Le plancher de chargement complet a remporté le Prix Innovation CCE-JEC 2018 en Chine et le gouvernement allemand a reconnu le programme plus vaste SMiLE comme un projet Lighthouse, ce qui signifie que la technologie sera importante pour une utilisation dans la conception de la mobilité future. L'équipe est en discussion sur les prochaines étapes.