Renforts composites dans structures carrosserie véhicules

Bien que composites aient fait quelques percées dans structures carrosserie blanc (BIW) automobile, matériaux dans cette zone longtemps dominés par acier et, plus récemment, aluminium. Du coup, constructeurs auto comptent lourdement sur soudure et fixations mécaniques (boulons, vis) pour assembler structures métalliques. Bien que généralement robustes, joints soudés et fixations peuvent échouer. Ils font aussi peu pour améliorer rigidité (sans augmenter masse indûment) ou atténuer bruit/vibrations/dureté (NVH) ou énergie crash traversant véhicule. Une façon de relever ces défis : renforts joints et cavités BIW avec composites couplés adhésifs structurels.

Solutions corps composites (CBS) : inserts structurels 3D

Exemple telle solution : classe matériaux/technologies appelée solutions corps composites (CBS). Incluent inserts structurels 3D renforts structures primaires véhicule combinant éléments BIW ou autres sous-structures, porteurs thermoplastiques (renfort fibres continues ou discontinues) et adhésifs structurels moussants activés chaleur. Éléments CBS installés atelier carrosserie tôt construction véhicule, avant application revêtement électrophorétique antirouille (E-coat).

Composants CBS typiquement produits procédé surmoulage injection 2K où porteur — intégrant languettes soudure ou clips encliquetage pour joindre temporairement CBS à composants BIW métalliques — est sélectivement surmoulé avec adhésif expansible et éventuellement scellant additionnel (procédé 3K) fonctionnalités additionnelles. Adhésif non polymérisé sec au toucher (chimie époxy personnalisée) peut être moulé formes complexes, mais permet couverture E-coat éléments métalliques en maintenant gap entre surfaces composite et métal avant expansion induite chaleur lors polymérisation post-E-coat four. Comme mousse expansée, gaps scellés entre porteur et composants environnants, les verrouillant ensemble en « macro-structure » boîte améliorant propriétés mécaniques, particulièrement sous charges hautes et dynamiques.

Intégrés tôt design véhicule, modules CBS options masse/coût efficaces pour augmenter rigidité locale/globale BIW et améliorer sécurité/confort passagers à masse inférieure. Permettent aussi coût neutre ou inférieur vs solutions tout-métalliques plus lourdes. Initialement juste auto, portefeuille croissant matériaux porteur/adhésif a élargi usages CBS, points forts suivis.

Conçu pour défis performance

Technologie CBS développée et commercialisée par L&L Products Inc. (Romeo, Michigan, États-Unis). Longue histoire fournisseur auto scellants, contre-mesures acoustiques, renforts améliorer performance BIW. L&L développé technologie aider clients améliorer sécurité passagers et répondre exigences crash auto plus strictes à coût/poids inférieurs tout en améliorant traitement/assemblage construction véhicule.

1995-2004 : CORE Products, joint-venture L&L et Gurit Essex (Wattwil, Suisse), responsable développement applications initiales et fabrication CBS. L&L a fini par acquérir tous actifs CORE, opérant maintenant comme L&L Products Europe.

L&L a travaillé étroitement fournisseurs matériaux développement initial et expansion CBS. Une telle entreprise, Lanxess AG (Cologne, Allemagne), fournit depuis longtemps matériaux porteurs composites et support caractérisation/simulation matériaux à L&L en Europe.

CBS en application

En plus avantages déjà mentionnés, technologie CBS fournit : meilleure transition chemin charges, gestion charges multiaxiales et absorption énergie ; plus grande stabilité section (résistance effondrement/intrusion) ; NVH réduit ; dynamisme conduite et performance crash charges hautes améliorés. Aussi : mise en œuvre plus rapide timing design/redesign véhicule et aucune modification séquence assemblage atelier carrosserie. Comme CBS facilite contrôle transfert énergie structures corps tout en minimisant déformation/intrusion, idéal applications conçues résister crash frontal, latéral, arrière ou écrasement toit pour mieux protéger occupants, habitacles, batteries. Utile aussi structures devant passer protocoles exigeants comme tests crash petit chevauchement IIHS (Arlington, Virginie).

« Polyvalence design technologie CBS simplifie assemblage zones conditions complexes/difficiles accès », explique Núria Ignés, responsable ingénierie produits structurels, L&L Products Reinforce chez L&L Products EMEA (Altorf, France). « Exemple : CBS sur portières et autres fermetures pas seulement réduit poids et augmente rigidité, mais peut simplifier fabrication porte si intégré tôt design. Grâce outils CAE et décennies expérience, plus combinaison porteur+mousse, qui fournit attache robuste BIW une fois polymérisé, on peut utiliser bonne quantité bon matériau bon endroit pour équilibrer rigidité avec masse/coût ou absorption énergie avec acoustique/coût. »

« Aspect vraiment intéressant CBS : nature « bio-mimétique » », ajoute Peter Cate, responsable marketing stratégique global L&L. « Tout comme entretoises renforcement cellulaires centre os sont méthode nature la plus efficace masse pour ajouter rigidité et gérer charges structures creuses, une fois adhésif expansé, unités CBS renforcent cavités corps véhicule même manière, aidant ingénieurs optimiser rigidité structurelle masse la plus faible. »

« En augmentant rigidité locale/globale et distribuant charges plus efficacement structure, renforts CBS = solutions sur mesure adressant rigidité localisée et fatigue métal sans ajouter masse », continue Pal Swaminathan, responsable développement commercial, Tepex Automotive, Lanxess Corp. (Pittsburgh, Pennsylvanie). « Améliorations NVH aussi communes quand CBS intégré structures corps. Analyse ingénierie soignée permet développement et optimisation localisation solutions équilibrant tenue route et maniabilité. »

Applications précoces

Application auto précoce CBS sur PSA Group 2006 Citroën C4 Picasso : 9 unités renforts piliers A/B et traverse arrière. Éléments renforts ont réduit masse véhicule 12 kg améliorant sécurité occupants. Matériau noir = composite Lanxess, rouge = mousse époxy L&L, argent = portion structure métallique où élément CBS attaché.

Premier commercial auto CBS L&L : 1998 ; 2002 technologie acceptation marché. Bon exemple 2006 Citroën C4 Picasso PSA Group (Paris, France — maintenant Stellantis N.V., Amsterdam, Pays-Bas). 9 composants CBS — sections basses piliers A, basses/hautes piliers B, traverse au-dessus essieu arrière — masse véhicule réduite 12 kg vs options métalliques. Certains inserts CBS augmentaient sélectivement capacité portance et minimisaient intrusion habitacle impact, améliorant sécurité occupants. Autres amélioraient performance NVH BIW. Tous porteurs moulés injection 35 % p.p. verre court/polyamide 6 (PA6). Unités CBS similaires utilisées 2012 Ford Transit Ford Motor Co. (Dearborn, Michigan).

Nouvelles options porteurs, mousses

Années, L&L et fournisseurs ont étendu CBS avec nouvelles formulations mousses, gamme plus large résines porteurs/renforts et application concept différentes structures.

Exemple : plupart porteurs CBS applications crash conçus PA6 30 % verre stabilisé chaleur car équilibre rigidité/ductilité forme 3D complexe nécessaire. Deux tels porteurs utilisés longerons avant plateforme VE majeure où, rapporté, ils non seulement simplifiaient assemblage (réduction nombre pièces) mais réduisaient intrusion crash pare-feu 20 %.

Exigences impact plus élevées : porteurs hybrides maintenant dispo, ex. renforts piliers A 2019 Porsche 911 Carrera Cabriolet carrosserie largement aluminium. Étant cabriolet, rigidifier cadre sans toit critique protéger passagers cas tonneaux. Pour garder véhicules légers/agiles, Porsche a remplacé barres antiroulis tubulaires acier lourdes par inserts CBS piliers A. Coques piliers acier haute résistance, stabilisées/rigidifiées par inserts CBS à l'intérieur chaque pilier. Corps principal porteur : organosheet moulé compression (47 % vol tissé sergé verre/PA6), préchauffé, préformé, puis surmoulé injection côtes (30 % p.p. verre court/PA6/6). Côté organosheet porte adhésif expansant L-5235 L&L. Non seulement technologie hybride répondait tous objectifs performance/poids (option barres acier tubulaires ne répondait pas), mais réduisait masse véhicule 5,4 kg, facilitant assemblage et abaissant centre gravité, améliorant dynamisme conduite.

Applications sans four processus pour activer adhésif expansant, ou support additionnel nécessaire atelier peinture : L&L dit travailler autres solutions polymérisation ambiante.

Plusieurs technologies connexes basées CBS aussi développées. Prochaine première application commerciale, système composite continu (CCS) L&L combine porteurs pultrudés fibre verre/carbone — ex. polyuréthane (PUR) avec/sans tissus ainsi que fils — avec scellants/adhesifs structurels formulation custom. Éléments CCS, pouvant aussi incorporer pièces CBS et composants métalliques, améliorent rigidité/résistance structures section constante à masse inférieure (typiquement 75 % moins acier, 30 % moins alu). Résistants corrosion, non-conducteurs/isolants électriquement, faible coefficient dilatation thermique linéaire (CLTE), gestion énergie hautement prévisible, idéaux renforts éléments structurels véhicules monocoque ou sections châssis véhicules châssis-carrosserie, cadres batteries VE.

Renforts panneaux composites : adhésifs structurels expansants auto-adhésifs co-extrudés avec renfort fibre verre appliqués surfaces panneaux formés atelier carrosserie. Système pas seulement améliore rigidité (réduit gondolage/flambage) grands panneaux relativement non supportés, mais aussi NVH grâce moment inertie accru. Offre aussi opportunités jauge panneaux inférieure pour masse/coût moindres. Applications commerciales : panneaux portes, toit, plancher, capots, ailes, hayons, portes arrière ; applications potentielles : carters batteries.

Renforts panneaux nid d'abeille : époxy léger — pâte application manuelle ou liquide basse viscosité pompage automatisé — une fois polymérisé, usinable/ponçable. Conçus stabiliser cœurs nid d'abeille, principalement emplacements stratégiques intérieurs avions, sans ajouter masse excédentaire. Autres usages : amélioration bords (étanchéité/renfort bords panneaux composites), collage inserts, renfort local où charnières/inserts métal installés panneaux composites.

Perspectives futures

Depuis premier brevet 1999, L&L a déposé nombreuses inventions CBS. Vu large gamme options porteurs/adhésifs maintenant disponible dans cette famille produits, pas surprenant applications étendues au-delà auto vers camion et aérospatial. Qu'est-ce qui suit ?

« Au fil des ans, produits CBS ont évolué pour servir nouvelles exigences applications combinant fonctions », ajoute Ignés. « Exemple : commencé juste renfort structurel, évolué pour pas seulement rigidifier mais aussi améliorer fonctions acoustiques ou augmenter absorption énergie. Vu suite propriétés hautement désirables technologie CBS, on s'attend pas seulement usage auto croître, mais croissance autres industries aussi. »