Composites thermoplastiques :vue panoramique

Une équipe en France dirigée par Webasto SC aux Châtelliers-Chateaumur a développé un nouveau module de toit ouvrant à vitrage fixe et volet roulant qui, pour la première fois, utilise des rails de guidage en composite thermoplastique pour remplacer les rails conventionnels en aluminium. Commercialisé d'abord sur plusieurs véhicules polyvalents (MPV) produits par le Groupe Renault (Boulogne-Billancourt), le changement permet d'économiser du poids, des coûts et de l'outillage, élimine le matériel et les multiples étapes de traitement, simplifie l'installation de la chaîne de montage, réduit le bruit de fonctionnement et libère 13 mm de hauteur libre supplémentaire entre les occupants du véhicule et la vitre du toit ouvrant.

Communs en Europe mais rares en Amérique du Nord, les modules de toit ouvrant à stores vénitiens sont généralement utilisés pour couvrir les systèmes de toit en verre fixe - souvent de grands toits panoramiques qui s'étendent sur presque toute la largeur et la longueur de la ligne de toit du véhicule. Lorsqu'ils sont déployés, ils ont à peu près la même fonction que les pare-soleil rigides des véhicules nord-américains, bloquant l'excès de lumière du soleil et amortissant le bruit de la pluie et du vent. Ils sont composés d'un tissu fin mais bloquant la lumière qui se déroule et se déploie le long d'une piste motorisée, puis est enroulé à nouveau autour d'un axe qui est logé sous la garniture de pavillon à l'arrière du toit à l'intérieur du véhicule.

Assemblage de toit ouvrant conventionnel

L'industrie automobile a historiquement utilisé des rails en aluminium pour connecter le module de store enrouleur d'un toit ouvrant à la structure de toit à carrosserie blanche (BIW), en particulier dans le cas de systèmes de toit ouvrant à vitre fixe larges et transparents, qui s'étendent généralement sur presque toute la longueur. et la largeur du toit de la voiture. Ces rails de guidage, montés le long des côtés conducteur et passager du toit, ont une double fonction sur les systèmes de toit ouvrant à store car ils forment la surface de glissement le long de laquelle le store enrouleur en tissu motorisé se déplace lorsque le store est enroulé pour permettre plus de lumière dans l'intérieur du véhicule, ou tel qu'il est déployé pour réduire cette lumière. Contrairement aux pare-soleil rigides courants en Amérique du Nord, lorsqu'ils sont rétractés, les stores pare-soleil occupent peu d'espace sous les garnitures de pavillon où ils ne peuvent pas être vus par les occupants du véhicule, tout en offrant la même isolation thermique contre le soleil et la même isolation acoustique contre le vent et la pluie que les parasols rigides le font.

Le processus de fabrication conventionnel des rails en aluminium commence par un profilé en aluminium à section constante et nécessite un processus de fraisage et de finition en plusieurs étapes à forte intensité de main-d'œuvre pour obtenir la forme complexe du rail :

• coupe à longueur,
• former de petits plis par estampage et poinçonnage,
• former des courbes,
• usinage/fraisage de formes complexes qui ne peuvent pas être préformées à l'aide d'outils d'emboutissage (nécessite un ensemble d'outils/une opération et un contrôle qualité après chaque étape),
• rail d'anodisation de couleur noire ou naturelle,
• et assembler les serre-câbles électriques, les serre-câbles en spirale, les goupilles de centrage/positionnement et les écrous.

Chaque marque et modèle de véhicule de tourisme utilise une forme et une longueur de rail légèrement différentes, de sorte que les fabricants de toits ouvrants doivent produire et stocker un stock important pendant le cycle de production d'un module de toit ouvrant donné. Et lorsqu'un nouveau modèle est ajouté, un tout nouvel outillage est requis, à moins que le véhicule ne partage des pièces communes avec le module du système de toit ouvrant d'un modèle existant.

Les rails de guidage en aluminium nécessitent non seulement une main-d'œuvre importante lors de la production chez le fabricant de toits ouvrants, mais également lors de l'installation dans l'usine de montage de véhicules. Classiquement, les rails sont fixés manuellement par des vis au BIW. Ensuite, le module de toit ouvrant est passé à travers la baie de pare-brise et chargé par le bas dans l'ouverture du toit où l'opérateur le fixe aux rails récemment installés. Enfin, le toit en verre lui-même est collé, via un adhésif structurel, sur le dessus de la voiture, scellant le module de toit ouvrant et l'intérieur de la cabine.

Bien que les rails en aluminium représentent une technologie connue et établie, ils présentent des inconvénients. D'une part, l'aluminium est une matière première coûteuse et il est plus difficile que l'acier de se plier en des formes complexes. D'autre part, pour protéger l'environnement, l'élimination des produits chimiques d'anodisation utilisés pour empêcher la corrosion représente un coût supplémentaire important. Comme détaillé ci-dessus, le processus de fabrication est long et compliqué et ses coûts d'outillage sont élevés. De plus, les efforts visant à augmenter les fonctionnalités nécessitent l'utilisation de matériel supplémentaire appliqué via des étapes d'assemblage supplémentaires.

Nouveau concept ferroviaire

Sur la base d'autres conversions réussies de cadres de toit ouvrant de l'aluminium aux composites sur des systèmes de toit ouvrant à verre mobile de format beaucoup plus petit, une équipe de Webasto a décidé de mener une étude pour voir si les longerons beaucoup plus grands sur les systèmes de toit ouvrant à store pourraient également être converti en composite. (Les traverses avant et arrière avaient déjà été converties en composite - généralement en polypropylène renforcé de verre (GR-PP) - sur de tels systèmes.) L'objectif était d'ajouter des fonctionnalités, de réduire les étapes de fabrication, le nombre de pièces, le coût et le poids des pièces, mais répondent toujours aux exigences de performances OEM.

L'équipe a commencé par étudier la fonctionnalité et les conditions de fonctionnement des rails de guidage et a identifié la caractéristique la plus critique des rails comme leur capacité à faciliter le mouvement fluide du pare-soleil motorisé avec la même force d'avant en arrière et de gauche à droite le long du chemin de la voie. . Pour y parvenir, les rails nécessitent une géométrie précise et une section constante sur toute leur longueur, qui peut être supérieure à un mètre. De plus, les rails doivent être suffisamment structurels pour assurer une connexion sécurisée aux autres composants du toit ouvrant/module, y compris les traverses de toit ouvrant avant et arrière et la structure du toit elle-même, le mécanisme moteur, la vitre de toit et la garniture de pavillon. Pour répondre aux exigences OEM, le pare-soleil motorisé doit fonctionner à de faibles niveaux de bruit de glissement pour réduire le bruit/les vibrations/la dureté (NVH) à l'intérieur de la cabine.

Une analyse des composites automobiles couramment utilisés a rapidement éliminé ceux avec des matrices thermodurcissables et des thermoplastiques privilégiés. Par rapport aux composites thermoplastiques, ceux mouillés avec des thermodurcissables ont tendance à avoir une densité plus élevée, ont des cycles de moulage plus lents et nécessitent plus de finition post-moulage. De plus, les thermoplastiques refondus offrent une option d'assemblage sans adhésif ni attache entre les rails supérieur et inférieur et simplifient énormément le recyclage en fin de vie. De plus, les thermodurcissables ont suscité des inquiétudes quant à la formation de buée et aux émissions de composés organiques volatils (COV), qui sont strictement réglementées pour les intérieurs de véhicules dans l'Union européenne.

En raison des exigences OEM pour un contrôle dimensionnel extrêmement strict - en particulier pour éviter le gauchissement, qui entraverait le bon fonctionnement du pare-soleil - le polyamide, le polypropylène (PP) et les polyesters thermoplastiques ont été éliminés. Parce que les rails en aluminium nécessitent de la graisse pour un fonctionnement en douceur du pare-soleil, et parce que les ingénieurs Webasto ne savaient pas encore si un lubrifiant serait nécessaire sur les rails composites, le polycarbonate a été éliminé en raison de sa faible résistance chimique et de sa tendance à la fissuration sous contrainte. L'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) a été rejeté en raison des exigences thermiques de 110 °C du toit ouvrant.

L'équipe Webasto avait déjà utilisé de l'anhydride maléique de styrène renforcé de fibre de verre/ABS (GR-SMA/ABS) pour le cadre du toit ouvrant en verre mobile, elle a donc concentré son attention sur ce matériau, qui est utilisé dans l'industrie automobile depuis des décennies pour le tableau de bord. substrats. Le GR-SMA/ABS est de faible densité, rigide et résistant, présente un très faible gauchissement et une faible déformation sur une large plage de températures et de niveaux d'humidité. Parce qu'il est amorphe, il n'y a aucun problème avec la cristallisation et le retrait post-moulage. De plus, il peut être retraité à l'état fondu, se soude bien et son composant d'anhydride maléique assure une force d'adhésion élevée à une variété de substrats, y compris l'adhésif structurel en polyuréthane utilisé pour joindre le toit en verre au module de toit ouvrant.

Webasto s'est tourné vers son fournisseur de résine GR-SMA/ABS Polyscope Polymers BV (Geleen, Pays-Bas) pour suggérer des grades qui fonctionneraient. Polyscope a fourni deux possibilités — 15 % de GR XIRAN SGH30EB et 30 % de GR XIRAN SGH60EB — qui ont ensuite été soumises à des tests en laboratoire à petite échelle chez Webasto. Le grade 30%-GR était plus rigide, mais son module E plus élevé n'était pas nécessaire pour assurer le bon fonctionnement de l'écran solaire. Les tests ont indiqué que le grade 15 % GR atteindrait les objectifs de propriétés mécaniques. L'équipe a donc choisi d'utiliser ce matériau, non seulement pour les rails gauche et droit, mais également pour la traverse avant. La traverse arrière est restée en GR-PP.

La décision suivante était le processus à utiliser pour produire les rails. Initialement, l'extrusion de profilés a été envisagée car elle peut produire des formes creuses et pleines, et fonctionnellement, elle ressemble au processus utilisé pour produire des profilés en aluminium. Il s'agit également d'un processus continu, suffisamment rapide pour répondre aux exigences de production, mais ses coûts d'outillage sont relativement faibles. Malheureusement, les chercheurs craignaient que l'extrusion ne produise pas des surfaces intérieures suffisamment lisses à partir de résines renforcées de fibres pour permettre au pare-soleil de se déplacer en douceur et silencieusement le long de la piste. En outre, le processus limiterait la possibilité de modifier la géométrie du profil sur toute la longueur du rail pour incorporer une intégration plus fonctionnelle sans ajouter de matériel (comme des broches et des clips supplémentaires) pendant les étapes de post-traitement.

L'autre processus envisagé était le moulage par injection, qui peut produire des structures 3D très complexes avec des finitions lisses et une haute esthétique rapidement, précisément et avec une répétabilité et une reproductibilité (R&R) excellentes. De plus, il permet de mouler des trous, des découpes, des encliquetages et même des clips, réduisant ainsi la finition secondaire.

Pour l'application cible, l'inconvénient est que le moulage par injection ne peut pas produire une structure creuse en une seule étape (nécessitant que chaque rail soit moulé en deux pièces puis assemblé.) De plus, l'outillage peut être coûteux.

L'équipe a opté pour le moulage par injection dans le but d'incorporer plusieurs pièces dans un outil familial afin de réduire les coûts d'outillage.

Démonstration du concept

Le concept de base semblant prometteur, l'équipe de développement s'est élargie pour inclure l'équipementier Groupe Renault et le mouleur ARRK-Shapers (La Séguinière, France). L'objectif était de concevoir un système de rail composite pour un module de toit ouvrant à vitre fixe sur les véhicules polyvalents (MPV) Renault Scenic (cinq places) et Grand Scenic (sept places) de l'année modèle 2016. L'équipe a décidé de concevoir chaque rail pour inclure un haut niveau d'intégration fonctionnelle, pour avoir une symétrie miroir entre les rails pour les côtés gauche et droit et pour que la conception s'adapte à la fois standard (berline/berline/cinq places) et long (wagon/break voitures/sept places) modèles de véhicules. Certains aspects de la conception de l'équipe sont désormais couverts par trois brevets.

Pour garder les coûts d'outillage gérables, l'équipe a optimisé la conception du moule pour permettre aux parties supérieure et inférieure des rails gauche et droit, la traverse avant, ainsi que trois pièces d'interface de liaison qui se connectent à la traverse arrière GR-PP ( moulés séparément) à produire à chaque cycle. Une autre étape de réduction des coûts a été l'utilisation par ARRK-Shapers de blocs modulaires (qui sont insérés/retirés pour exécuter les versions à rail long et court) plutôt que des glissières d'outillage coûteuses. Pour mouler les huit composants GR-SMA/ABS dans une grande famille d'outils, une presse à injecter avec une force de serrage de 1 500 kN était nécessaire. Le soudage par ultrasons a été sélectionné pour joindre les rails supérieur et inférieur, et un gabarit d'assemblage spécial a été conçu et construit.

Une phase de prototypage et de test a permis à l'équipe de finaliser la conception du rail, d'anticiper les défis de production et de s'assurer que les pièces passeraient les tests de validation de Renault, qui comprenaient :

• Tests de durabilité pour 10 000 cycles de vie.
• Test de vibration triaxial sur une plage de températures de -20 °C à 110 °C à 95 % d'humidité relative (HR).
• Cycle de température de 85 °C à -20°C à 50°C à 95% HR à 110°C.
• Résistance au pelage et au cisaillement après collage.
• Test de bruit de conduite Renault pour NVH.
• Test "Tire-bouchon" de retournement.
• Vitesse de fonctionnement du volet roulant d'au moins 75 mm/s à 23 °C atteinte après chaque test.

« L'idée de convertir des rails de guidage en aluminium extrudé en une solution plastique sur un store de toit ouvrant est une idée Webasto et une idée brevetée depuis longtemps », explique Jacques Vivien, Webasto R&D, design to cost, expert industriel. "Cependant, jusqu'à récemment, aucun plastique technique ne répondait aux exigences strictes de cette fonction." Il rappelle que le candidat plastique devait répondre à des exigences de précision dimensionnelle; stabilité dans le temps, résistance aux changements de température et d'humidité; conserver la rigidité et la capacité de glissement ; présenter une excellente aptitude au collage ; et faire tout cela et rester compétitif en termes de coûts. « Nous avons été très satisfaits de la sélection du XIRAN SGH30EB de Polyscope, qui a fait du projet une réussite totale pour toutes les personnes impliquées. »

Dépasser les attentes

Avec plus de deux ans de fabrication et de vente, les rails de guidage composites fonctionnent comme prévu et de nombreux avantages ont été constatés au niveau des niveaux, des équipementiers et des clients. Par exemple, l'outillage intelligent d'ARRK-Shapers a réduit considérablement les coûts du programme. L'utilisation par Webasto d'une conception avec une intégration fonctionnelle nettement supérieure à celle de l'assemblage en aluminium existant et le choix du moulage par injection pour créer les structures complexes en une seule fois ont éliminé le matériel et la finition post-moulage, réduisant également les coûts. La production ferroviaire à elle seule a été réduite de sept à deux.

À l'usine d'assemblage de Renault, le nouveau système de toit ouvrant, y compris le volet roulant, arrive entièrement assemblé et prétesté sous la forme d'une unité monobloc collée par robot au toit, éliminant deux à trois étapes d'assemblage et permettant à un opérateur d'être réaffecté, réduisant ainsi les coûts et le temps encore plus loin. La réduction initiale des coûts du système aurait été d'environ 20 %, mais le nouveau module contient moins de pièces, ce qui devrait réduire les coûts de garantie à long terme, comme l'indiquent les défauts de pièces par million (PPM) inférieurs et la qualité supérieure observée chez Renault. Un autre avantage des nouveaux rails composites est qu'une réduction de la pile d'éléments sur l'axe Z de>13 mm a été obtenue car l'ensemble du module est collé directement sur le BIW au lieu du processus conventionnel en deux à trois étapes, au cours duquel les rails sont fixés avec des vis au BIW et le module est ensuite fixé aux rails. Cela offre non seulement plus d'espace de travail sur la chaîne de montage pour les travailleurs, mais donne également plus d'espace libre aux occupants des véhicules plus grands. Une autre amélioration subtile était que NVH a été réduit pendant le fonctionnement du pare-soleil pour ouvrir ou fermer l'énorme ouverture de lumière du jour sur les deux modèles du véhicule. Comme l'aluminium, les rails composites sont entièrement recyclables, mais moins d'énergie est nécessaire pour les produire initialement et pour les recycler en fin de vie du véhicule, ce qui, sans doute, les rend également meilleurs pour l'environnement. (Fait intéressant, l'équipe a également découvert qu'aucun lubrifiant n'était nécessaire sur les rails composites pour un fonctionnement fiable du pare-soleil.)

« Quand Jacques Vivien de Webasto France m'a dit pour la première fois qu'il envisageait de remplacer les rails de guidage en aluminium par du composite SMA sur un module de volet roulant de toit ouvrant, j'ai pensé que cela pourrait être un peu un défi, mais cela valait la peine de tenter sa chance », note Henri- Paul Benichou, directeur des ventes et du développement commercial de Polyscope. « Cette application innovante s'est avérée être un succès technique et industriel, offrant de nombreux avantages pour les fournisseurs, pour Renault et pour les clients de Renault.