Chevrolet Silverado 2019 : supports de pare-chocs thermoplastiques légers boostent la performance

Les pick-ups Chevrolet Silverado de l'année modèle 2019 (MY) de GM arborent une nouvelle application structurelle pour les composites dans un endroit caché mais très efficace : sur les côtés avant gauche et droit derrière le pare-chocs en acier. Le support hybride composite thermoplastique/métal réduit la masse, atteint une performance équivalente ou meilleure aux tests modaux, de contrainte, de fatigue et de crash dans un espace d'emballage limité, réduit la corrosion et les risques de garantie et permet une consolidation significative des pièces. Tout le crédit photo : General Motors Co.

Ce n'est pas facile d'être un ingénieur de conception OEM travaillant sur des programmes de pick-ups pleine grandeur. D'un côté, vous voulez rendre ces véhicules aussi sûrs, riches en fonctionnalités et économes en carburant que possible. De l'autre côté, vos clients - particulièrement ceux dans les industries de la construction et de l'agriculture - poussent leurs véhicules dur chaque jour et ont certaines idées sur ce qui est et n'est pas un matériau durable. Ils connaissent et font confiance à l'acier. Les composites ? Peut-être pas tant que ça.

Alors que Chris Heo, ingénieur principal de libération de conception pour les pick-ups pleine grandeur chez General Motors Co. (GM, Detroit, Mich., États-Unis), et son équipe commençaient le travail sur la dernière génération de pick-ups Chevrolet Silverado, ils discutaient des applications qu'ils pourraient convertir du métal aux composites pour réduire la masse du véhicule.

Pour l'année modèle 2019 (MY), la décision avait déjà été prise de garder les barres d'impact de pare-chocs stylées - pare-chocs en acier estampé avec des surfaces côté A stylées et finitions (soit placage chrome, soit peinture couleur carrosserie) - à l'avant et à l'arrière du véhicule. En raison de la forme dictée par le style, et de la masse des coques en acier, de tels pare-chocs nécessitent généralement un ou plusieurs supports de renforcement en acier pour joindre le pare-chocs au châssis du véhicule et répondre aux exigences de durabilité du pare-chocs, de dommages au véhicule, de performance au crash et d'emballage de GM. Dans ce cas, une paire de supports enveloppait les coins gauche et droit du pare-chocs. Les membres de l'équipe se demandaient s'ils pouvaient convertir ces estampages lourds, complexes, multipièces en quelque chose de plus léger sans sacrifier la performance ou la durabilité.

« Nous discutions des façons de garder la peau métallique du pare-chocs mais de convertir les composants cachés en matériaux légers », rappelle Heo. « Nous savions que ce serait un défi car vous avez besoin de supports robustes pour tenir une pièce lourde comme un pare-chocs, et les deux pare-chocs et supports doivent performer pour la durée de vie du véhicule. Aussi, ces supports sont clés pour répondre aux tests de crash à barrière décalée exigeants et - même en métaux - ce sont des tests difficiles à passer. »

 

Premiers à essayer

Sans se laisser décourager par le défi, l'équipe de GM s'est mise au travail et a rapidement fait appel au fournisseur de pare-chocs désigné du véhicule, Flex-N-Gate Corp. (FNG, Urbana, Ill., États-Unis). Initialement, alors que le style extérieur du véhicule était encore en cours de finalisation, l'équipe conjointe a passé un an à rechercher des options dans l'industrie et à discuter des approches qui pourraient fonctionner. « Nous attendions le bon moment car, selon le style final, cela pourrait changer le design que nous utilisions et l'approche que nous prenions », explique Heo.

« Nous savions qu'une autre entreprise avait converti un très petit support - qui n'était pas structurel - en composite sur l'un de leurs pare-chocs de camion, donc cela nous donnait un point de départ », ajoute Steve Perucca, responsable du groupe d'ingénierie R&D plastiques/métaux de FNG. FNG avait déjà beaucoup d'expérience dans la conversion de pièces métalliques structurelles en composites thermoplastiques sur des véhicules de tourisme, ce qui a donné à l'équipe la confiance pour avancer.

 

Considérations de conception

Alors que le design extérieur se finalisait sur le pick-up, l'équipe combinée a commencé son propre travail de conception sur les supports avec une liste de desiderata. Les supports de référence étaient estampés en acier HSLA (high-strength/low-alloy), choisi pour ses propriétés mécaniques plus élevées et sa résistance à la corrosion améliorée par rapport à l'acier au carbone. Les supports avaient une épaisseur nominale de 3 millimètres et chacun pesait 4,362 kilogrammes. Premièrement, les supports composites devaient s'adapter à peu près au même espace d'emballage, qui était limité derrière le pare-chocs. Ainsi, un matériau avec une résistance suffisante était nécessaire pour que l'épaisseur de la pièce n'augmente pas significativement.

Deuxièmement, les pare-chocs avant enveloppent généralement les coins avant du véhicule pour obtenir les indices de style que le studio de design veut. Cependant, comme ils sont maintenus au châssis par les supports en acier rigides, lors d'événements de crash à grande vitesse, le pare-chocs peut être écrasé vers l'intérieur dans la roue, affectant négativement l'orientation de la roue et bloquant la direction. Pour protéger la roue du côté impacté le plus longtemps possible, il est souhaitable que les supports de pare-chocs se détachent pendant l'impact. D'un autre côté, pour éviter les problèmes de garantie, le pare-chocs doit rester attaché pendant l'utilisation normale pour la durée de vie du véhicule. Donc, l'équipe a dû déterminer comment équilibrer ces besoins concurrents.

Un autre problème que l'équipe voulait résoudre était que, en raison des limitations de formabilité de l'acier, les supports de référence ne pouvaient pas être formés pour tenir les antibrouillards du véhicule, ce qui nécessitait l'utilisation d'une autre paire de supports métalliques lourds. Si c'était possible, l'équipe voulait consolider le support d'antibrouillard dans le support composite.

De plus, il était important d'éviter un point de pincement du faisceau de fils lorsqu'il passait à travers le support pour empêcher les faisceaux et fils de s'user et de casser, ce qui entraînerait des courts-circuits de fonctions importantes comme les phares et les ventilateurs. Éviter ceux-ci en fournissant un trou dans les supports métalliques par lequel les fils pourraient passer a conduit à l'utilisation d'une opération de poinçonnage supplémentaire, qui a ajouté plus de coûts d'outillage en raison de limitations de liberté de conception. Il était donc souhaitable d'essayer de résoudre ce problème dans le support composite. Bien sûr, il était aussi important d'éviter d'avoir à faire des changements dans l'assemblage du véhicule pour utiliser des supports composites. Et, comme c'est souvent le cas dans les applications automobiles, les supports composites seraient, idéalement, plus légers et moins chers que les références métalliques. Une dernière préoccupation était de savoir si les modèles CAE actuellement disponibles pouvaient prédire avec précision la fatigue à haut cycle/la durabilité dans un thermoplastique renforcé en fibres discontinues.

 

Approche hybride

Avec leur liste de souhaits en main, l'équipe s'est mise au travail. Une décision précoce a été la sélection du matériau à utiliser - à savoir un que FNG avait déjà de l'expérience avec et qui avait les approbations de GM. Ils ont choisi un polypropylène à longues fibres de verre (LFT-PP) noir à 40% de fraction de poids de fibres (FWF) de Lotte Chemical (Séoul, Corée du Sud) appelé Supran PP1340 GMW15890P. Comme les supports ne sont pas exposés à la lumière du soleil et sont suffisamment éloignés de la chaleur du moteur, le polymère oléfine dur offrirait une performance thermique adéquate. Le grade à haut flux, moulable par injection, avait un indice de fluidité à chaud (MFI) de 40, assurant un bon remplissage de géométrie complexe sans avoir besoin d'ajouter des points d'injection supplémentaires ; les points d'injection supplémentaires créent des lignes de soudure qui sont plus faibles que le matériau environnant et doivent être évités dans une pièce structurelle, surtout une qui doit passer les tests de crash.

Pour équilibrer les besoins concurrents de durabilité à long terme avec la performance au crash, l'équipe a adopté une approche hybride et a divisé le support. La partie qui joignait le pare-chocs au châssis resterait en acier HSLA, mais la partie extérieure serait convertie en composite. Cette approche permettrait une plus grande liberté de conception pour consolider les pièces, réduire la masse et permettre l'incorporation des antibrouillards, mais la partie composite serait conçue pour se détacher dans un crash latéral à grande vitesse pour assurer que l'orientation de la roue reste longitudinale le plus longtemps possible pour aider à maintenir la capacité de direction. Pour répondre à toutes les exigences de GM, certains inserts métalliques ont été ajoutés du côté composite du support, ainsi que trois bagues, qui permettent un ajustement pendant l'assemblage. Les concepteurs ont trouvé que le matériau n'avait aucun problème pour permettre à la patte du support (les pièces d'extrémité courbées montrées dans le design CAE composite/marron) d'être étendue pour englober l'antibrouillard, éliminant le besoin d'un support séparé à cet emplacement (Fig. 1).

Au fur et à mesure que le projet avançait, et que des pièces physiques étaient produites et testées, l'équipe était heureuse d'apprendre que leurs modèles CAE étaient assez précis. « Au début, nous nous demandions si nous serions capables de simuler la pièce correctement, étant donné que nous essayions de prédire la fatigue à haut cycle, en termes de durabilité, et le chargement à haut G, en modélisation de crash », note Heo. « Étonnamment, la corrélation entre les résultats prédits et mesurés des tests sur vibreur étaient proches, même en crash. » Le design final du support a été complété en moins de six mois. Il fait environ 41 x 46 centimètres, a une paroi nominale de 3 millimètres et comporte des nervures pour des propriétés mécaniques plus élevées.

L'outillage a été produit par Integrity Tool & Mold Inc. (Oldcastle, Ontario, Canada) et comportait un moule à stack 2+2 bien ventilé avec deux cavités/plaque et deux chutes directes (canaux froids) avec gating séquentiel à valve qui produit quatre pièces/cycle en raison du volume de construction élevé de la plateforme Silverado. La division Ventra Evart de FNG est le mouleur. Le temps de cycle bouton-à-bouton est de 60 secondes.

 

Réalisations significatives

Lors de sa première utilisation commerciale, l'approche hybride de GM sur le support de pare-chocs structurel (Fig. 2) a apporté de nombreux avantages. Premièrement, elle a atteint une performance équivalente ou supérieure aux tests modaux, de contrainte, de fatigue et de crash (voir tableau ci-dessous).

 Design 

 10 Gx

 20 Gx

1^ère Fréquence de mode (Hz)

Déplacement maximum (mm)

Contrainte maximale (MPa)

Déplacement maximum (mm) 

Contrainte maximale (MPa) 

 Support hybride acier/composite

 2,00

213

3,97

381

31,7

Support de référence tout acier

 2,36

259

4,45

480

30,1

Non seulement le support hybride composite avec inserts métalliques a réduit la masse, mais sa géométrie adaptée a amélioré à la fois la performance de contrainte et modale.

Deuxièmement, la liberté de conception des composites a permis un style plus agressif dans un espace d'emballage relativement petit. Troisièmement, la masse de la paire de supports hybrides a été réduite de 2,5 kilogrammes/véhicule par rapport à la référence. Et grâce aux effets de décomposition de masse, des coins de pare-chocs plus légers ont permis une réduction de jauge sur le support de montage du pare-chocs ainsi que d'autres composants, donc la masse totale pour le système de pare-chocs avant a été réduite de 7,3 kilogrammes par rapport au modèle 2016 sortant.

De plus, le risque de corrosion et les coûts de garantie ont été réduits puisque le support composite ne rouillera pas. La réduction de masse profite aux consommateurs en contribuant à une meilleure économie de carburant ou en permettant de transporter une charge utile plus lourde sans dépasser les limites légales de charge sur route.

Sur une base de prix à la pièce, le support hybride était neutre, en raison du coût supplémentaire du moule d'injection. Sur une base de coût système, il y avait des économies grâce à la possibilité de réduire l'épaisseur de composants supplémentaires, bien que les économies réelles soient difficiles à quantifier. Le support est en production depuis plus de trois ans sans problèmes.

Pour le Silverado de prochaine génération, l'équipe de Heo prévoit de continuer à utiliser des supports hybrides sur le pare-chocs avant, mais il a déjà mis au défi les membres de l'équipe de commencer à réfléchir à comment adopter une approche hybride sur les supports de pare-chocs arrière. C'est compliqué par le fait que les pare-chocs arrière contiennent des fonctionnalités d'assistance au marchepied sur les coins pour permettre aux gens de monter dans/du coffre du pick-up plus facilement et en sécurité. De plus, plus de composants (tels que les capteurs d'avertissement de recul) sont emballés derrière la peau en acier, réduisant l'espace d'emballage.

« Nous continuerons à utiliser une approche d'ingénierie intelligente consistant à regarder les problèmes, comprendre comment les produits sont utilisés et quelles sont leurs exigences fonctionnelles, puis repousser les limites », conclut Heo.