Révolutionner les pédales de frein : les composites thermoplastiques remplacent le métal pour une sécurité et performance inégalées

L'industrie automobile a converti les pédales d'accélérateur des métaux vers des thermoplastiques à fibres courtes de verre moulés par injection dans les années 1990. Cependant, les pédales de frein — étant des composants critiques pour la sécurité avec des exigences de rigidité, résistance et charge torsionnelle difficiles — ont mis beaucoup plus de temps à se convertir. Le fournisseur automobile de rang 1 Boge Rubber & Plastics Group (Damme, Allemagne) dit être le premier fournisseur à répondre aux objectifs de performance et de coûts OEM exigeants pour les pédales de frein en composites thermoplastiques. Conception unique, trois matériaux différents et un processus de production sur mesure permettent à l'entreprise de produire des pédales plus résistantes, plus rigides, plus légères et moins coûteuses.

Trouver une niche qui compte

Boge est un développeur et producteur de produits pour l'amortissement des vibrations et le montage de groupe motopropulseur/châssis ainsi que des modules légers en plastique et boîtiers de pédales (y compris combinaisons de pédales de frein, d'embrayage et d'accélérateur) pour l'industrie automobile. Elle produit des composants automobiles en organosheet à fibres continues avec composés de surmoulage à fibres courtes de verre depuis 2008. Elle a ajouté des rubans thermoplastiques unidirectionnels (UD) au mélange en 2018. Grâce à l'innovation continue de processus, le temps de cycle et les coûts ont été réduits et les affaires ont augmenté.

« En 2015, mon patron est venu me voir et a dit : "Ces changements que tu as faits sont bien, Daniel, mais ce serait bien si tu pouvais trouver un marché plus grand avec des volumes de production qui comptent vraiment", » se rappelle le Dr.-Ing. Daniel Häffelin, responsable senior/chef de l'équipe allègement au Centre d'Innovation Global de Boge. Une équipe d'ingénieurs Boge a accepté le défi et a brainstormé comment augmenter l'efficacité de la fibre pour réduire les coûts et gagner plus d'affaires.

« L'organosheet est un super produit, mais il faut l'utiliser de la bonne façon, seulement là où c'est nécessaire », explique Häffelin. « Nous avions déjà rendu notre processus de production très allégé, donc nous ne gagnerions pas beaucoup en essayant de réduire davantage les temps de cycle. Nous avons raisonné que la meilleure façon de réduire le coût était de réduire la quantité de fibre continue que nous utilisions en utilisant cette fibre plus efficacement. »

Simplement rendre les pédales plus petites ou plus minces ne marcherait pas non plus car il y a des contraintes pratiques sur la taille et la forme de la pédale de frein, sans mentionner les spécifications de performance exigeantes en raison de sa nature critique pour la sécurité. Ce qui avait le plus de sens était de trouver des façons de mieux contrôler l'orientation des fibres pour optimiser les propriétés locales dans les zones de la pièce qui voyaient les charges de pointe les plus élevées, offrant des opportunités de réduire l'épaisseur de paroi dans les zones moins critiques.

« Nous cherchions un moyen de "piloter" localement les fibres pour pouvoir les placer juste là où nous en avions besoin pour maintenir la rigidité et la résistance », ajoute le Dr. Torsten Bremer, PDG de Boge Rubber & Plastics Group. « Nous savions, en principe, que c'était possible parce que nous avions déjà considéré les machines pick-and-place utilisées dans les articles de sport et le médical, mais elles étaient trop chères. C'est là que nous avons décidé que nous avions besoin d'un nouveau processus. »

« Nous travaillions déjà avec un OEM allemand pour trouver des façons de faire des pédales de frein tout-composite qui répondaient à leurs exigences de performance et de coût », se rappelle Burkhard Tiemann, vice-président exécutif, chef de ligne de produit – Plastiques, Boge Plastics & Rubber Group. « Nous avons dit à notre client : "Nous allons développer un nouveau processus utilisant des rubans UD et organosheet." Ils nous ont dit : "Si vous pouvez réduire la masse et le coût davantage, nous le ferons." C'était notre point de départ. Nous avons fait une grande promesse en 2015 que nous pouvions livrer une pédale de frein tout-composite qui était moins chère, plus légère et pouvait être produite en grandes quantités. Cela a pris trois ans pour régler les détails et livrer nos premiers produits. »

Pilotage des fibres

Les pédales de frein composites doivent répondre aux mêmes spécifications de performance que les pédales en acier ou aluminium en place. Cela inclut des exigences de mode de rupture spéciales avec des charges aussi hautes que 3 000 newtons et une déflexion type acier à charge maximale. Données ces exigences et l'espace d'emballage restreint disponible, la structure de coque principale de la pédale, qui porte les charges maximales, nécessite un renforcement en fibres continues. Donc, l'équipe a décidé d'utiliser l'organosheet pour former la colonne vertébrale de la pédale. Les rubans UD seraient ensuite utilisés pour augmenter localement la rigidité/résistance et renforcer les parois intérieures pendant les pics de contrainte dans la zone de la pièce qui serait ensuite pliée en canal en U pendant le préformage. Et dans les zones où la géométrie fonctionnelle comme les nervures était nécessaire, le composé de surmoulage à fibres de verre hachées était spécifié. L'équipe estimait que cette approche hybride augmenterait l'efficacité de la fibre tout en réduisant l'utilisation de matériau, l'épaisseur moyenne de paroi et le temps de cycle.

L'équipe a commencé un travail de simulation intensif pour optimiser les emplacements de fibres pendant la production. La base du travail de Boge était basée sur un programme de recherche allemand financé publiquement de 2011-2014 appelé SoWeMa (Logiciels, Outils, et Développement de Machines pour une Chaîne de Fabrication Allégée Entièrement Automatique et Close).

« La recherche SoWeMa couvrait beaucoup des questions que nous poserions un an plus tard pour notre propre venture », explique Häffelin. « Parce que la conception fait partie du savoir-faire central de Boge, nous avons commencé avec les fondamentaux du programme SoWeMa et construit nos propres capacités de simulation EF (éléments finis) pour structures de stratification anisotrope. »

Un domaine de focus était l'optimisation de topologie combinée pour la dépose de ruban et la structure de nervures. « Nous avons créé un cycle d'itération pour optimiser le placement des rubans et adapter la structure de nervures en conséquence, puisque les deux sont liées ensemble sur la rigidité et la résistance de la pièce », continue K. Siebe, ingénieur EF, Centre d'Innovation CRRC. « Puisque la combinaison de matériaux de rubans UD, organosheet et matériaux à fibres courtes est unique et leur application est liée à une fenêtre spécifique d'humidité et de température, nous avons construit nos propres cartes de matériaux pour caractériser plus précisément comment ces matériaux se comporteraient pendant les essais physiques. »

Boge a spécifié la structure de couches et l'architecture de fibres pour chaque matériau basée sur les résultats de simulation et un design de pédale donné. Lanxess Deutschland GmbH (Cologne, Allemagne) fournit l'organosheet en fractions de volume de fibres (FVF) de 45-50 %. Les rubans thermoplastiques UD avec FVF de 55-60 % étaient fournis par Celanese Corp. (Irving, Texas, États-Unis). Les composés d'injection à fibres courtes de verre pour cette application, à 40-60 % de fraction de poids de fibres (FWF), étaient fournis par plusieurs sources. Tous les matériaux sont noirs et présentent soit une matrice polyamide 6 ou 6/6 (PA6, PA6/6). Pour répondre aux spécifications clients, PA6 est la résine par défaut pour les trois types de composites. Cependant, selon les niveaux d'humidité et de température pendant la fabrication, ainsi que les contraintes d'espace et la géométrie de la pédale, Boge peut aussi utiliser PA6/6 pour la résine de surmoulage, puisque les deux polymères sont assez similaires pour bien se lier.

Production en trois étapes

En parallèle à la conception, l'équipe a travaillé sur un processus de production en trois étapes. Dans la première étape, un blank à fibres sur mesure est créé en utilisant l'organosheet précoupé et préconsolidé comme base stable sur laquelle plaquer stratégiquement des bandes de ruban UD alignées aux chemins de charge pour renforcer la structure de coque de la pièce. Dans la deuxième étape, le blank est déplacé et séquentiellement chauffé, consolidé et formé/drapé. Dans la troisième étape, il est surmoulé avec composé à fibres courtes pour créer la structure nervurée.

Pour atteindre des temps de cycle rapides, la manipulation robotique était une évidence pour ce système. Une caractéristique clé du processus que l'équipe voulait inclure était la flexibilité de placer des rubans de toute longueur, dans toute orientation, et en toute position sur un côté de la coque d'organosheet et de souder au laser ces rubans à la coque pour qu'ils ne bougent pas dans les étapes subséquentes.

Une autre décision que l'équipe a prise était de ne pas préconsolider le blank sur mesure immédiatement après la dépose, mais juste avant le drapage/préformage et le surmoulage. L'équipe a raisonné que le matériau devrait être réchauffé pendant le drapage/préformage de toute façon et pour être rentable, ils devaient maintenir le temps de cycle total proche de 1 minute. Donc, Boge chauffe et consolide le blank juste avant le drapage/préformage en utilisant une augmentation rapide de température combinée avec une haute pression pour créer une liaison mécanique forte entre le ruban et l'organosheet. Le chauffage s'arrête et la température de la pièce commence à baisser alors que le blank encore chaud consolidé se déplace dans la cavité de drapage avant d'être déplacé à nouveau et surmoulé avec les nervures et autres caractéristiques fonctionnelles dans une seconde cavité. De fortes liaisons mécaniques, avec pénétration de chaîne polymère vérifiée, sont atteintes entre les trois matériaux. Aucune finition post-moulage n'est requise.

Pour répondre aux exigences de qualité pour ces pièces critiques pour la sécurité, l'équipe a aussi développé un système rapide, précis et conforme Industrie 4.0 qui utilise la vision, la force, le temps, la pression et les capteurs de température qui vérifient le matériau à chaque étape du processus de fabrication. Le système stocke ensuite ces données et les relie au numéro d'identification unique de chaque pédale. Cela assure une traçabilité à 100 % de tous les matériaux, quarts de travail et paramètres de processus impliqués.

Réalisations à ce jour

Le processus sur mesure de Boge, entièrement automatisé et contrôlé qualité, a fait le pas du prototype à la production en série à haut volume en 2018. Produisant une nouvelle pédale environ chaque minute, la cellule de fabrication actuelle peut fabriquer jusqu'à 1 million de pièces par an. Les pédales tout-composite utilisent 33 % moins d'organosheet que les designs antérieurs et l'épaisseur nominale de paroi est passée de 3 à 2 millimètres. Les pédales sont aussi 50-55 % plus légères, tout en répondant ou dépassant les exigences de résistance pour l'acier. Les pédales plus légères améliorent l'haptique de conduite pour les consommateurs et le système entier est recyclable à 100 % en fin de vie. Avec le processus actuel, les pédales composites sont à parité de coût avec l'aluminium et légèrement plus chères que l'acier. D'autres applications automobiles ainsi que d'articles de sport sont en développement.

« Qu'est-ce que l'avenir réserve alors que les constructeurs transfèrent des ressources vers l'électrification de la flotte ? » « À mesure que le drive-by-wire [systèmes d'actionnement électromécaniques] et l'électrification du groupe motopropulseur deviennent plus courants, les pédales d'accélérateur pourraient disparaître, mais les pédales de frein resteront », muse Häffelin. « Cependant, nous verrons probablement une plus grande intégration d'électronique, y compris des capteurs, dans les pédales de frein. Cela augmentera substantiellement la complexité de la pièce, rendant les composites encore plus compétitifs que les métaux. »

L'utilisation des matériaux, les étapes de processus et les critères d'équipement sont expliqués plus en détail dans l'article de suivi de CW de janvier 2021, « Processus sur mesure produit une pédale de frein composite chaque minute. »