Révolutionner la conception de hayons : test du filament winding modifié

Les hayons automobiles, ou portes de coffre arrière, sont en transition lente des métaux vers les composites depuis des décennies. Ce n'est qu'en 2013 que le premier hayon tout plastique/composite, sans structure de support métallique, a été commercialisé ; la plupart des hayons aujourd'hui comportent encore ce composant de support sur lequel les peaux extérieures et panneaux intérieurs sont fixés, particulièrement sur les VUS et CUV plus grands et plus lourds avec de plus grandes portes arrière.

Cependant, ce qui pourrait bien être la prochaine évolution des hayons composites a fait ses débuts en 2019 sur la voiture de sport Toyota Supra de Toyota Motor Corp. (Toyota City, Japon). Un cadre composite en filament winding a remplacé un cadre métallique et offre selon les dires une rigidité et une résistance supérieures à moindre poids que les structures métalliques traditionnelles, avec une plus grande flexibilité de conception, surtout dans les espaces d'emballage restreints. Selon les rapports, le procédé de filament winding a été modifié à tel point que, à mesure que l'intérêt grandit et que les applications prolifèrent, il peut répondre aux objectifs de vitesse et de coûts de la production de véhicules à plus haut volume. Voici comment la conception et la technologie sont nées.

Fabrication trilatérale

Magna International Inc. (Aurora, Ontario, Canada) est un intégrateur de rang 1 en Amérique du Nord, mais en Europe, sa filiale Magna Steyr AG & Co. KG (Graz, Autriche) conçoit et assemble également des voitures complètes pour les OEM qui ont besoin de capacité de fabrication supplémentaire.

Récemment, Magna a participé à un programme intéressant impliquant les constructeurs Toyota et BMW AG (Munich, Allemagne), qui travaillent en coopération sur des projets de conception et fabrication depuis 2013. Pour son dernier effort, Toyota cherchait à relancer sa plaque Supra et s'était associé à BMW pour fournir la conception et la mise au point du véhicule et d'une voiture sœur, le roadster 2 places Z4 de BMW. Les deux véhicules partagent le moteur, la suspension et les systèmes de direction. Magna Steyr assemblerait les deux voitures à Graz, ainsi que fournirait à la Supra les sièges, panneaux de carrosserie, verrous de portes et hayons. Bien qu'il y ait beaucoup d'innovation sur les deux voitures, le hayon incorporé dans la Supra est l'endroit où l'innovation en conception composites est la plus apparente.

Manchester de Bohême

Des années avant l'implication de Magna avec la Supra année modèle 2020, son opération à Liberec, République tchèque, explorait des technologies pour des cadres spatiaux composites pour un certain nombre d'applications potentielles. Par chance, la région a une riche tradition en tant que centre textile de premier plan et était autrefois connue sous le nom de « Manchester de Bohême ». L'équipe de Liberec cherchait une architecture technologique qui supportait de hautes charges, réduisait la masse globale, maintenait des tolérances dimensionnelles serrées et pouvait être produite dans un processus avec une haute répétabilité et reproductibilité (R&R) pour répondre aux exigences de performance et de fabrication des constructeurs automobiles européens.

« Nous avons conclu que nous avions besoin d'un produit thermodurcissable avec une stabilité thermique et dimensionnelle élevée », se rappelle Riad Chaaya, directeur mondial de ligne de produit - hayons composites chez Magna. « Nous savions aussi que nous avions besoin d'une forme fermée avec la capacité de produire des sections transversales de formes et d'épaisseurs variables — nécessaire pour optimiser la performance mécanique, l'espace d'emballage, la masse et le coût — qui pouvait être produite dans un processus capable de faire 150 000 pièces par an. Nous avons examiné de nombreuses technologies, y compris le soufflage, le tressage et le filament winding, mais aucune ne répondait tout à fait à nos besoins. Après de nombreux essais, nous avons sélectionné le filament winding comme la meilleure correspondance pour ce que nous voulions, car il nous donnait le contrôle des orientations et du nombre de filaments pour extraire le module le plus élevé au poids le plus bas. »

Malgré de nombreux avantages, il y avait une inquiétude que le filament winding puisse être trop lent pour la production automobile conventionnelle. De plus, l'équipe avait besoin d'une méthode pour commencer et terminer le processus de bobinage afin de créer un cadre à forme fermée. Heureusement, alors que l'équipe n'avait pas d'historique avec le filament winding, l'héritage de fabrication textile de Liberec signifiait que la communauté locale était pleine d'experts en mèches et en bobinage de filaments.

« Heureusement pour nous, ces experts avaient la passion de ressusciter leur savoir-faire traditionnel pour nous aider à l'appliquer de nouvelles façons pour répondre aux besoins automobiles à haut volume », ajoute le Dr.-Ing. Josef Půta, responsable technologie Magna Exteriors - République tchèque.

« Parce que le filament winding traditionnel était trop lent pour nos besoins, nous et nos partenaires avons examiné de nombreuses façons de le faire tourner plus vite », se rappelle Lukáš Strouhal, chef de l'industrialisation, Magna Liberec. « Nous avons considéré des façons d'accélérer chaque étape du processus ainsi que de faire les choses très différemment. Bien que nous ne puissions pas en dire trop sur comment nous l'avons fait, nous pouvons dire que nous avons réalisé d'énormes améliorations de vitesse, de sorte que notre procédé modifié pourrait devenir « digne de l'automobile ». »

Magna et ses partenaires ont exploré de nombreux systèmes de résine, y compris époxy, polyuréthane (PUR) et un mélange PUR/vinylester, ainsi qu'une variété de renforts, de la fibre de verre au carbone en passant par la fibre de basalte. Le système final met en vedette le PUR et les fibres de verre, qui offraient le meilleur équilibre entre efficacité de la fibre, performance, coût et vitesse de production.

Le cadre spatial générique en filament winding de Magna est produit en trois étapes, chacune soigneusement optimisée pour la vitesse. Premièrement, un noyau PUR cellulaire rigide est produit par moulage par injection-réaction (RIM) ; deuxièmement, ce noyau, qui fonctionne comme un mandrin, est bobiné avec de la fibre de verre ; et troisièmement, cette structure bobinée est ensuite infusée avec du PUR et consolidée dans le processus de moulage par transfert de résine haute pression (HP-RTM). On prend soin de s'assurer que le noyau ne s'effondre pas pendant l'infusion/consolidation. Půta explique que beaucoup de travail a été consacré à la spécification des types de mèches, d'enductions et de résines utilisés — nécessitant un travail étroit avec les fournisseurs sur des modifications de matériaux — ainsi qu'à la détermination du nombre de bobinages et de l'orientation des filaments dans chaque couche. Sans surprise, l'entreprise a obtenu de nombreux brevets couvrant tout, de la conception et la production du noyau, à la machine de filament winding, plus des secrets industriels supplémentaires qu'elle garde précieusement.

« Nous avons fait de multiples innovations à chaque étape de processus et produit », explique Strouhal. « Vous pourriez démonter l'un de nos cadres, voir les formes et géométries utilisées, et vous vous demanderiez encore pourquoi et comment nous l'avons fait. »

Bien que l'équipe de Magna Liberec n'ait pas développé sa technologie de cadre spatial pour une application particulière, elle était sur le point d'obtenir une opportunité intéressante de l'utiliser.

Hayon défiant

Magna a une longue histoire de production de hayons pour véhicules de tourisme. L'entreprise a selon les dires construit les premiers hayons tout-oléfine en Amérique du Nord et en Europe pour la BMW i3 2013, voiture électrique urbaine, et conçu et construit un hayon tout-oléfine de nouvelle génération pour les VUS Jeep Cherokee 2019 de FCA NA LLC (Auburn Hills, Michigan, États-Unis). Étant donné que la production de hayon était un livrable pour le programme Supra, Magna n'a pas seulement puisé dans le travail effectué à Liberec, mais aussi dans sa longue histoire de conversion de structures de hayon métalliques en composites et plastiques.

« Le hayon Supra offrait un certain nombre de défis immédiats », se rappelle Chaaya. « Premièrement, l'espace d'emballage était très limité, signifiant que les tolérances étaient très serrées et que les coefficients de dilatation thermique linéaire devaient être soigneusement gérés pour maintenir les hayons s'ouvrant et se fermant librement. Deuxièmement, la forme de cette porte était encore plus difficile. Toyota voulait non seulement un hayon plus léger, mais avait des exigences de style très spécifiques pour la façon dont l'arrière du véhicule se drapait. Troisièmement, avec les volumes de production projetés du véhicule, l'outillage pour atteindre cette forme en métaux serait très coûteux. En fait, nous avons conclu que le cadre de hayon ne pouvait pas être produit en une seule pièce de métal et répondre encore aux exigences de conception et de performance de Toyota. Cela signifiait que le cadre spatial devait être fait de composites et, plus spécifiquement, de composites thermodurcissables. »

La peau extérieure serait un panneau TPO renforcé de talc moulé par injection et peint pour gérer la forme agressive, tandis que le panneau intérieur serait du polypropylène (PP) à fibres de verre longues ; les deux seraient joints au cadre avec un adhésif structurel PUR 2K. Chaaya ajoute que beaucoup de travail a été fait pour optimiser le cadre spatial et compléter le hayon pour répondre aux exigences de charge torsionnelle. Un défi précoce était de trouver un moyen de simuler avec précision les propriétés des matériaux pour atteindre une corrélation précise entre résultats prédits et mesurés.

« C'était un dur combat pour obtenir une bonne corrélation avec nos modèles de matériaux, car nous devions simuler chaque couche de bobinage et incorporer la forme, les rayons et les exigences de bobinage elles-mêmes », ajoute-t-il. « Bien que nous ayons commencé en étant à 20 % d'écart, après beaucoup de réglages et en déterminant la meilleure façon d'améliorer notre rigidité, nos prédictions finales étaient très proches. Sur un si grand cadre, nous avons également réussi à maintenir les tolérances dimensionnelles à 1 millimètre. »

De nombreux avantages

Le cadre final en forme de beignet présente des diamètres et épaisseurs de paroi variables tout au long, mais a un diamètre nominal de 50-60 millimètres. À part un petit support dans le coin, et des fixations dures comme les verrous et charnières, plus une feuille pour mettre à la terre les antennes intégrées, le cadre entier — qui mesure 104 x 111 centimètres — est entièrement composite. Même les supports « oreilles », utilisés pour connecter le panneau de garniture intérieure à la moitié inférieure du hayon, sont composites et fabriqués via HP-RTM. Bien que le cadre composite soit 10 % plus léger qu'un cadre métallique comparable, les effets de décomposition de masse signifient que le hayon complet est ~20-25 % plus léger qu'un hayon métallique. Les hayons plus légers nécessitent moins d'effort pour les consommateurs pour ouvrir/fermer, sont plus faciles à installer pour un ouvrier lors de l'assemblage du véhicule, économisent du carburant pendant la durée de vie du véhicule et fournissent ce que Strouhal décrit comme « un son solide incroyable » quand le hayon se ferme. Le système composite a également éliminé des étapes comme le pliage des bords et les points de soudure/assemblage requis avec les hayons métalliques.

Chaaya laisse entendre que son entreprise a un autre grand projet automobile en filament winding en cours. Il dit aussi que Magna voit d'autres utilisations pour la technologie au-delà des hayons. « Portes, capots de coffre, capots moteur, FEM (modules avant) et même véhicules autonomes — comme un bus qui est composé d'un cadre enveloppé de verre — pourraient utiliser un tel cadre spatial », ajoute-t-il. « Et il n'aurait même pas à être caché. Si nous utilisions une toile de fibre de carbone, ce serait un signe de prestige de laisser cette belle surface exposée et de ne pas cacher le cadre à l'intérieur. »