Révolutionner les sièges véhicules avec la technologie d'enroulement filamentaire 3D

La durabilité et la responsabilité environnementale deviennent des moteurs de plus en plus prévalents des tendances technologiques dans l'industrie automobile. Les véhicules à faible consommation et faibles émissions sont devenus une priorité pour le secteur automobile international, et les tendances vers les technologies de transport alternatives comme l'électromobilité et la mobilité aérienne urbaine (UAM) gagnent en élan. Les OEM cherchent dans les matériaux et procédés émergents un levier pour ces modes de voyage prospectifs, mais le changement dans l'automobile est souvent lent. Pour que de nouveaux matériaux et procédés soient pleinement adoptés, ils doivent non seulement être qualifiés, mais aussi rentables et permettre la production à haut volume.

Siège ultra-léger

Le concept de siège Ultra Leichtbausitz (ULBS) a été développé par une collaboration multi-entreprises combinant plusieurs technologies. Le prototype de siège hybride métal-composite ultra-léger a été développé, de la conception à la fabrication, en seulement sept mois, grâce à une approche de conception pilotée par simulation, des méthodes de gestion de projet agiles et une étroite coopération et intégration système entre les entreprises impliquées.

Construire un meilleur siège

L'étude de faisabilité du siège ultra-léger Ultraleichtbausitz (ULBS) a été développée par une collaboration entre plusieurs entreprises combinant technologies. La vision du projet était, dans les mots du groupe, « créer un concept de siège ultra-léger, exceptionnel sur le marché par son optimisation du poids. » Les entreprises initiatrices csi entwicklungstechnik GmbH (csi, Neckarsulm, Allemagne), Alba Tooling & Engineering (Forstau, Autriche) et Automotive Management Consulting (AMC, Penzberg, Allemagne) ont développé le prototype en collaboration avec Covestro (Leverkusen, Allemagne), LBK Fertigung (Friedberg, Allemagne), Robert Hofmann (Lichtenfels, Allemagne) et 3D|CORE (Herford, Allemagne).

Le projet collaboratif a abouti à un prototype de siège pesant un peu plus de 10 kg, incluant coussin, cadre structurel, inserts fonctionnels et console de fixation au véhicule. Le siège est 20 % plus léger que les sièges légers comparables du marché, dont beaucoup sont des sièges aftermarket. Selon Stefan Herrmann, chef de projet ULBS responsable design allégé chez CSI, il n'existe actuellement aucun siège concurrent pesant moins de 12 kg.

« Cependant, une comparaison directe n'est souvent pas pomme-pomme, car les sièges aftermarket n'incluent souvent pas la console dans la définition du poids », dit Herrmann. « Aussi le confort du ULBS est bien supérieur aux sièges de poids similaire. Les sièges existants sont souvent des sièges baquets, plus légers mais moins confortables, ou des sièges supersport traditionnels, bien plus lourds. »

Le ULBS intègre plusieurs technologies innovantes, dont la structure squelette en fibres continues basée sur la technologie de procédé xFK en 3D joue le rôle principal. (Voir « Enroulement filamentaire, réinventé » pour plus sur xFK en 3D et autres technologies d'enroulement.) L'importance fondamentale de cette technologie primée pour le dépôt de fibres continues réside dans sa liberté de conception, le placement de fibres piloté par simulation et optimisé matériaux exactement dans la direction des charges, ainsi que l'application simple, rentable et sans déchet de matériau fibreux. Pour le transfert de charge dans cette structure cadre, des pièces imprimées 3D ont été utilisées. Dans les zones de charges maximales, comme les fixations du dossier, le siège utilise des structures imprimées 3D en acier inoxydable haute résistance et haut module. Dans les zones moins chargées, l'impression 3D aluminium est utilisée.

csi entwicklungstechnik, entreprise d'ingénierie spécialisée dans les structures carrosserie en blanc (BIW), intérieurs et extérieurs automobiles avec domaines d'activité incluant polymères renforcés fibre de carbone (PRFC) et fabrication additive, a supervisé et coordonné le projet basé sur l'idée initiée par AMC. csi a fourni le stylisme, surfacage, concept, simulation, ingénierie design et gestion de projet.

Herrmann explique : « csi était responsable des lots de travail dans le domaine de la chaîne de processus numérique — stylisme, design ingénierie, design surfacage, simulation MEC, simulation topologie, simulation validation et confirmation virtuelle du projet. »

Il souligne que ce qui rend le projet ULBS remarquable n'est pas seulement l'utilisation de matériaux et méthodes de fabrication innovants, mais le développement d'une pièce complexe comprenant de nouveaux designs de composants en seulement sept mois grâce à une collaboration étroite entre partenaires.

Enrouler un cadre

La majeure partie de la réduction de poids du projet ULBS résulte de la technologie xFK en 3D d'AMC, une technologie composite fibre hautement flexible, configurable, rentable et durable pour l'enroulement de composants.

xFK en 3D a déjà servi pour divers produits et applications dans plusieurs industries et segments. SGL Group (Wiesbaden, Allemagne) a exposé plusieurs pièces automobiles et vélo fabriquées via cette technologie au salon JEC World 2018. L'une des pièces exposées, un plateau de chaîne vélo en fibre de carbone développé par AMC, réduirait le poids jusqu'à 70 % par rapport à une version aluminium.

Le procédé xFK en 3D enroule des structures portantes sans déchet en utilisant des fibres continues imprégnées résine thermodurcissable. Une fibre imprégnée résine époxy est enroulée autour d'un dispositif de positionnement, ou bagues d'enroulement, permettant d'arranger les fibres spécifiquement selon les charges et fonctions souhaitées de chaque pièce.

« Un avantage majeur de xFK en 3D est l'élimination des points faibles concernant le transfert et l'introduction de charge dans les structures », dit Herrmann. Il explique que les points faibles ne sont souvent pas dans le continuum de la structure, mais dans les zones où les charges sont introduites, surtout où les composants voisins se connectent à la structure. La technologie xFK en 3D permet les transferts de charge à travers les connexions et l'alignement des fibres selon les fonctions et cas de charge souhaités, en trois dimensions.

Le procédé d'enroulement filamentaire apporte des avantages supplémentaires. Il minimise le gaspillage matériau — moins de 1 % de la fibre est gaspillée.

csi a reconnu les forces de xFK en 3D et a conçu le cadre du siège ULBS pour être construit sous la consultance du Dr Clause Georg Bayreuther, responsable technologie d'AMC.

« En travaillant avec les ingénieurs csi, les consultants AMC et les experts outillage d'Alba, ont développé ce concept et structure pour le cadre de siège fabriqué par xFK en 3D », dit Peter Fassbaender, consultant technologie et initiateur de la technologie xFK en 3D.

Alba a fabriqué l'outillage pour le cadre siège PRFC et fourni le support ingénierie. Bien que le cadre soit enroulé en fibre de carbone, les fibres naturelles ou basalte sont aussi de bons candidats.

Une structure hybride multi-matériaux

En plus du cadre, le prototype ULBS inclut plusieurs autres innovations. Alba, qui a fourni l'outillage, a aussi fourni l'outillage, l'ingénierie et la fabrication du corps mousse du siège et exécuté l'assemblage. Un mat de fibres couvre le cadre PRFC du siège, lui-même recouvert d'une housse mousse PUR imprimée 3D. La zone d'assise est en mousse traditionnelle.

Une réduction de poids supplémentaire a été accomplie grâce à l'utilisation de 3D|CORE, un matériau cœur de renforcement intralaminaire (IRC), dans la structure de coque du panneau dorsal du dossier. Le matériau est un cœur de renforcement intralaminaire — un cœur sandwich structurel comprenant des corps en mousse polystyrène extrudé (XPS) et polyéthylène téréphtalate (PET) en motif nid d'abeille intégré. Pendant la production de pièces composites, la structure nid d'abeille est remplie de résine, résultant en haute résistance intralaminaire. Le 3D|Core est assemblé entre deux couches de fibre de verre pour créer un préformé, infusé avec résine époxy thermoplastique par moulage par transfert de résine assisté vide (VA-RTM).

Covestro a fourni son adhésif Dispercoll comme liant pour les mats de fibres, ainsi que le coussin de dossier imprimé 3D. Selon Herrmann, les propriétés mécaniques de Dispercoll offrent une bonne résistance à l'abrasion, importante car le contact de surface entre coussin et cadre peut user le mat au fil du temps.

« Si vous avez une seule fibre continue, quand vous la mettez dans un textile, vous obtenez des micromouvements entre les pièces PRFC dures et les mats. Les composants du cadre peuvent frotter contre le textile et le détruire », explique Herrmann.

Les sièges traditionnels ont généralement une surface d'appui plus large pour le rembourrage, et n'ont pas ce problème. Avec xFK en 3D, la surface de contact est plus petite due à la structure cadre.

« Quand les structures xFK en 3D poussent contre le tissu mat, il faut un liant spécifique et durable ; c'est ce que Dispercoll apporte ici », ajoute Herrmann.

Covestro a aussi fourni ce qui est présenté comme le premier coussin imprimé 3D au monde. Alors que la mousse traditionnelle intensive en outillage est typiquement utilisée dans les dossiers, l'utilisation de coussins de dossier imprimés 3D en TPU (polyuréthane thermoplastique) augmente encore la flexibilité et l'adaptabilité du siège ULBS quant à son esthétique, options d'intégration fonctionnelle et confort.

Un siège pour le futur

Le projet ULBS atteint plusieurs objectifs. Le concept résultant, bien pas encore sur le marché, a le potentiel de servir de nombreux marchés de niche comme hypercars, air-taxis, véhicules ultra-légers, micromobilité, hélicoptères, multicoptères et aviation. Bien que plus cher que les sièges de série, l'ULBS démontre plusieurs technologies minimisant les déchets, réduisant ainsi les coûts matériaux. Par rapport aux autres technologies fibre de carbone, xFK en 3D génère très peu de déchets. En fait, tout le projet vise à utiliser des ressources minimales et seulement le minimum nécessaire de matériau. L'ULBS offre aussi la possibilité d'utiliser des ressources renouvelables et durables comme fibres naturelles dans la structure cadre, coussins et textiles.

Mais plus important, le projet démontre comment les entreprises peuvent minimiser le time-to-market en travaillant ensemble via des procédures de coordination courtes et agiles. C'est aussi un bon exemple d'utilisation du design thinking pour mener un produit de l'idée au prototype hardware en se concentrant sur les exigences fonctionnelles et en anticipant applications futures et objectifs de durabilité.