ESE E2 : Roue monobloc en fibre de carbone révolutionnaire prête pour la performance

Monobloc, un seul durcissement. La gamme E2 de roues composites d'ESE utilise le placement de fibres sur mesure (TFP) et un procédé propriétaire de moulage par transfert de résine par compression (RTM) pour produire une roue monobloc tout en fibre de carbone. Source | ESE Carbon Co.

Les roues en fibre de carbone offrent une gamme d'avantages en réduisant l'inertie de rotation et la masse combinée — connue sous le nom de masse non suspendue — des roues, de la suspension et d'autres composants directement connectés non supportés par la suspension d'un véhicule. Cette réduction de l'inertie de rotation et de la masse non suspendue, qui peut atteindre 50 %, résulte généralement en une accélération plus rapide avec moins d'effort, une distance de freinage réduite, une maniabilité améliorée due à un meilleur contact avec la route (adhérence mécanique) et une réduction du bruit de route.

Mais les étiquettes de prix sur les roues en fibre de carbone — hybrides et tout-composite — les ont maintenues hors de portée de nombreux consommateurs. Avec les plus abordables à plus de 10 000 $ pour un jeu, les roues ne se trouvent probablement que sur des voitures de sport très haut de gamme et véhicules de luxe. Plusieurs entreprises de roues, cependant, reconnaissent le potentiel de marché pour une roue en fibre de carbone à prix inférieur et travaillent à trouver une solution. Les approches varient des matériaux utilisés à la façon dont les composants de roue sont fabriqués et combinés. Certains combinent des composants en fibre de carbone avec de l'aluminium pour une roue hybride. Certains créent des roues à partir de préimprégné.

ESE Carbon Co. (ESE, Miami, Floride, États-Unis) a été fondée en 2011 avec l'objectif de rendre les roues en fibre de carbone disponibles pour un segment plus large de la population conductrice. L'entreprise a ajouté une équipe d'usinage de précision CNC à cinq axes, des capacités de pièces composites structurelles avancées, des machines de placement de fibres sur mesure et de la robotique pour automatiser la production. L'entreprise vise à lancer sa gamme E2 de roues composites automobiles monobloc, un seul durcissement, tout en fibre de carbone dans l'année à venir. Ne pesant que 17 livres, la roue d'ESE est conçue pour un essieu de 3 850 livres, la rendant capable de supporter des véhicules jusqu'à un poids brut à l'essieu de 6 800 livres. Selon le PDG d'ESE, Carlos Hermida, les roues en aluminium traditionnelles capables de gérer le même poids pèseraient plus de 30 livres.

Gorge profonde. Le design à cinq branches de l'E2 est basé sur une esthétique sport universelle. Photo CW | Scott Francis

L'E2 est un design à cinq branches basé sur une esthétique sport universelle avec un look concave, gorge profonde. Hermida dit que l'entreprise a été inspirée par le design d'une roue Porsche en aluminium, qui a ensuite été optimisée pour la fibre de carbone. La roue utilise un système époxy haute température avec une bonne clarté et offre des solutions de finition personnalisées incluant brillant transparent, mat transparent et couleurs personnalisées.

La roue en fibre de carbone d'ESE est à 80 % de la certification sous la Pratique Recommandée existante de la Society of Automotive Engineers (SAE, Warrendale, Pennsylvanie, États-Unis), qui s'applique à toutes les roues actuellement fabriquées, y compris les roues métalliques. De plus, Hermida dit que l'entreprise est susceptible d'avoir la première roue monobloc sur le marché certifiée sous une nouvelle pratique recommandée pour roues composites, SAE J3204, qui vient d'être approuvée pour publication par la SAE. Comme la pratique recommandée SAE pour roues métalliques, cette nouvelle recommandation pour roues composites traite de la durabilité à travers divers tests de fatigue et d'impact. Elle ajoute aussi de nouvelles exigences pour tenir compte des effets environnementaux uniques aux composites. Le Dr Michael Hayes, vice-président développement produit d'ESE, a été activement impliqué dans le groupe de travail pour cette nouvelle pratique recommandée, partageant des données et fournissant des prototypes pour les tests de développement par le comité SAE. En interne, l'équipe d'ingénierie d'ESE travaille pour s'assurer que la performance de l'E2 dépasse les recommandations minimales SAE. Des années de tests de prototypes et de simulation basée sur la physique ont mené au design E2 actuel.

« Il y a eu des années de travail par le groupe de travail SAE pour créer la pratique pour roues composites », dit Hermida. « Beaucoup de nos données de test et connaissances ont été partagées avec SAE pour aider à amener la pratique à la ligne d'arrivée, et bien que la nouvelle pratique SAE sera plus rigoureuse que les pratiques de roues actuelles, nous l'accueillons au nom de la sécurité des consommateurs. »

Placement de fibres sur mesure. La roue en fibre de carbone d'ESE est créée en utilisant la technologie de placement de fibres sur mesure (TFP) de ZSK Stickmaschinen GmbH. Source | ESE Carbon Co.

Se tourner vers le placement de fibres sur mesure

La roue d'ESE est créée en utilisant la technologie de placement de fibres sur mesure (TFP), qui, selon l'entreprise, permet une fabrication à haut volume et rythme rapide de composants en fibre de carbone avec de bonnes propriétés mécaniques. Le TFP fonctionne en arrangeant des faisceaux de fibres, les positionnant où ils sont nécessaires pour la performance structurelle, et les cousant en position sur une couche de base compatible. La procédure est utilisée à la place de l'approche conventionnelle de découpe de tissus tissés à une forme requise. ESE utilise de la fibre de carbone industrielle de Hyosung Advanced Materials (Séoul, Corée du Sud) et la technologie TFP de ZSK Stickmaschinen GmbH (ZSK, Krefeld, Allemagne) pour coudre les plis, créant des préformes de forme quasi nette.

« En contrôlant le chemin du matériau de fil alors qu'il est cousu dans la géométrie désirée, le matériel n'est placé que là où il est nécessaire dans le préforme final », explique Topher Anderson Ph.D., responsable d'application broderie technique pour ZSK. « Les zones de tissu qui auraient dû être découpées dans le design de stratifié traditionnel sont simplement laissées non cousues. Ce processus réduit à la fois le déchet initial produit lors de la découpe de tissus tissés à la forme, et réduit aussi le déchet de post-traitement grâce à la capacité de conformer aux géométries complexes. »

Travaillant à l'origine avec des tissus carbone traditionnels avant de transitionner vers TFP, ESE affirme que la technologie a permis à l'entreprise de réduire les plis jusqu'à 50 %, créant ainsi un processus de pose simplifié et minimisant les déchets. Selon Hermida, les déchets de fibre de carbone ont été réduits d'environ 40 % avec les tissus carbone traditionnels à moins de 10 % en adoptant TFP. En plus, la technologie a mené à une qualité de pose améliorée, une orientation de fibres optimisée et une flexibilité de conception accrue.

Fil aérospatial. ESE utilise de la fibre de carbone de Hyosung Advanced Materials pour l'E2. Source | ESE Carbon Co.

« Il y a beaucoup de courbure dans nos branches, ce qui complique les plis. Avec les tissus traditionnels, l'orientation de vos plis de fibre de carbone est limitée », explique Hermida. « Avec TFP, il y a une capacité presque illimitée de créer des motifs droits ou courbés dans n'importe quelle direction, vous permettant de concevoir des plis optimisés pour gérer les charges et contraintes plus efficacement que possible avec les tissus traditionnels. »

L'une des économies de coûts les plus significatives pour la roue d'ESE vient de ces améliorations de pose. Hermida dit qu'avant le passage au TFP, la pose était un goulot d'étranglement de fabrication pour l'entreprise. Il affirme que la réduction des plis améliore l'efficacité et réduit le temps de pose de près de 50 %. Plus de pièces par moule peuvent être faites chaque jour, ce qui se traduit par un impact positif sur l'investissement global en temps, main-d'œuvre et équipement par roue.

Au total, ESE dit que TFP a simplifié son processus et contribué à une meilleure évolutivité. Hermida dit qu'il y a aussi un avantage de coût additionnel de consolidation de la chaîne d'approvisionnement en achetant du fil au lieu de tissu.

En savoir plus sur le placement de fibres sur mesure (TFP) :

• Placement de fibres sur mesure : Battre le métal en production de volume
• Composites à axe variable ouvrent la voie à des structures composites plus légères
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Roue en fibre de carbone tout-infusée, un seul durcissement

Chaleur de freinage. ESE Carbon dit que l'Araldite de Huntsman a amélioré les taux de production et augmenté la résistance du jante, même aux températures élevées auxquelles les roues sont exposées pendant le freinage. Photo CW | Scott Francis

En plus de son investissement dans la technologie TFP, ESE s'éloigne du traitement en autoclave pour sa roue alors qu'elle pousse pour des taux de production améliorés. L'E2 est produit par un procédé propriétaire de moulage par transfert de résine par compression (RTM) utilisant des presses personnalisées conçues par l'équipe d'ingénierie d'ESE. Hermida dit qu'atteindre une roue tout-infusée, un seul durcissement était un défi. Un composant clé de cela était la sélection du bon système de résine.

« Nous avions besoin d'un système à faible viscosité, Tg [température de transition vitreuse] élevée, haute clarté, durcissement rapide avec des propriétés robustes », dit Hermida.

L'entreprise a sélectionné le système de résine époxy Araldite de Huntsman Advanced Materials (The Woodlands, Texas, États-Unis). Selon Huntsman, le système offre une faible viscosité pour des vitesses d'injection plus rapides, mouillage des fibres et facilité de traitement, ainsi que la flexibilité de s'adapter à différentes conditions de moule et temps de cycle. Avec Araldite, ESE dit qu'il est capable d'améliorer le taux de production et d'augmenter la résistance du jante, même aux températures élevées auxquelles les roues sont exposées pendant le freinage.

Araldite combine une élongation améliorée et une ténacité à la fracture plus élevée comparée aux résines époxy conventionnelles avec Tg élevée jusqu'à 200 °C.

« À cause de la chaleur de freinage qui est générée, c'est un composant critique », dit Hermida.

Pour réduire le temps dans le moule, le système offre un durcissement à températures intermédiaires dans le moule, suivi d'un post-durcissement optionnel à températures élevées hors du moule. Le résultat est un jante composite léger avec une bonne résistance à la fatigue, qui est clé pour la durabilité dans les roues exposées à des cyclages/contraintes répétés pendant l'opération du véhicule.

Les représentants techniques de Huntsman ont travaillé avec l'équipe d'ingénierie d'ESE pour déterminer quel système de résine époxy conviendrait à leurs besoins de production, ainsi que les ratios de composants idéaux pour atteindre une durée de vie de travail assez longue pour injecter plusieurs moules de roue avant que l'époxy ne commence à gélifier. En plus, l'entreprise a fourni une analyse de modélisation de durcissement prédictive générée par ordinateur et des tests de laboratoire pour aider à soutenir les efforts de développement d'ESE.

La roue composite continue de tourner

Automatisation. ESE travaille à faire progresser son automatisation de tâches telles que l'ébarbage, l'automatisation pick and place et le préformage. Source | ESE Carbon Co.

ESE commencera les tests sur route au T1 2020. La livraison de roues d'après-vente est attendue plus tard en 2020 et ESE dit qu'elle a commencé des discussions avec des OEM. Avec l'E2 prêt pour ses débuts sur le marché, la question revient au coût. La plupart des roues en fibre de carbone sur le marché aujourd'hui sont approximativement le coût de certaines voitures abordables.

« La fabrication de roues en fibre de carbone est unique à bien des égards ; tandis que les technologies d'automatisation actuelles nous bénéficient, une grande quantité de personnalisation et de développement d'automatisation est encore requise pour atteindre les points de prix de roue que nous voulons », dit Hermida.

Avec son addition de TFP, ESE fait des progrès dans l'automatisation de son processus. Hermida dit que l'entreprise a aussi pu automatiser le post-traitement de la roue, et l'entreprise travaille actuellement à faire progresser son automatisation de tâches telles que l'ébarbage, la pose robotisée pick and place et le préformage.

« Cela se résume à ESE rendant les roues en fibre de carbone accessibles », dit Daniel Canavan, vice-président développement commercial d'ESE. « Nous travaillons diligemment pour atteindre un point où les technologies de fibre de carbone peuvent être appliquées à la population au sens large. »

L'E2 d'ESE vise à être plus qu'une simple roue compétitive sur le marché. L'objectif initial est d'offrir un jeu de quatre roues pour moins de 9 900 $. Bien que cela puisse encore sembler cher, c'est définitivement un pas dans la bonne direction, et Hermida dit que les projets d'automatisation de l'entreprise aideront à réduire les coûts pour aller au-delà du marché luxe/performance.

« Nos ambitions vont bien au-delà », dit Hermida. « C'est juste un point de départ. Notre objectif est de fixer des prix à distance de frappe des roues en aluminium forgé. » Les roues en aluminium forgé comparables vont entre 5 000 $ et 7 000 $.

« Nous voyons une image plus grande de faire cela en production de masse », dit Canavan. « Nous pensons aux véhicules électriques et autres marchés où nous pouvons partager l'efficacité et [les utilisateurs] peuvent expérimenter les avantages du poids non suspendu — performance, vitesse et sécurité. Il y a tant d'avantages à cette technologie où nous pouvons vraiment faire une différence. »