Composite carbone/époxy haute performance pour allègement et production de masse automobile

Le projet IACMI 3.2 a évalué des composites renforcés fibre de carbone infusés avec un nouveau système de résine époxy pour développer des pièces composites structurelles à géométrie complexe afin de remplacer les métaux dans des applications fortement sollicitées, critiques pour la sécurité, sur les structures de carrosserie primaire de véhicules de tourisme à haut volume. L'une des premières applications évaluées fut l'utilisation d'un préimprégné carbone/époxy sur le montant B-pillar d'un véhicule test. Le matériau préimprégné haute performance a directement réduit la masse de 3 kilogrammes et permis l'amincissement de la tôle environnante, qui put alors être spécifiée en alliages moins coûteux, offrant des économies de poids et de coûts supplémentaires. Source : Ford Motor Co.

Les constructeurs automobiles dans la plupart des géographies font face à des mandats 2025 difficiles sur la réduction des émissions d'échappement et/ou l'amélioration de l'économie de carburant pour les véhicules de tourisme. Cependant, développer une technologie automobile fondamentalement nouvelle pour répondre à ces exigences est coûteux, si bien que des consortiums permettant aux membres de la chaîne d'approvisionnement de partager les coûts de la recherche précompétitive sont utilisés dans de nombreux pays.

Aux États-Unis, une telle organisation est l'Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI – The Composites Institute, Knoxville, Tennessee, États-Unis). Parmi les initiatives de l'organisation, les membres d'IACMI issus de l'industrie, du monde universitaire et du gouvernement travaillent sur des projets multi-facettes – impliquant développement intégré matériaux/procédés, modélisation/simulation, assemblage multi-matériaux et recyclage – pour résoudre des problèmes d'ingénierie, améliorer la masse véhicule, réduire la consommation d'énergie et les émissions, et créer de nouveaux emplois aux États-Unis.

Projet 3.2 et le système de résine « impossible »

Le Projet 3.2 fut l'un des premiers projets qu'IACMI a entrepris lors de sa formation en juin 2015, bien que la technologie utilisée dans le projet ait en fait commencé à être développée quelques années avant la création d'IACMI, avec une collaboration entre Ford Motor Co. (Dearborn, Mich., États-Unis) et ce qui était alors Dow Automotive (maintenant The Dow Chemical Co., Midland, Mich., États-Unis). Lorsque IACMI s'est formé et que le Projet 3.2 a démarré, Ford et Dow ont apporté leurs travaux antérieurs sur un nouveau système de résine époxy dans le programme. Une fois rejoints par IACMI, le programme s'est élargi pour inclure finalement plusieurs phases représentant de nouvelles utilisations pour cette résine innovante : un montant B-pillar en préimprégné, un capot de coffre tout en composé de moulage par feuille (SMC) et un hayon SMC/aluminium.

Appelée VORAFUSE, la famille de résines développée par Dow pour Ford est conçue pour une utilisation en préimprégné et SMC, et pour être traitée sur des équipements de moulage par compression, largement disponibles dans l'industrie automobile nord-américaine. Selon les exigences de Ford, la température de transition vitreuse (Tg) de la résine est de 150-160 °C, elle moule à 145-155 °C, et cuit en moins de 2 minutes à 150 °C (bien qu'une cuisson sous 1 minute soit disponible), la rendant assez rapide pour la production de véhicules à haut volume (100 000+/an). Elle atteint des post-cuissons de plus de 95 %. Le système est exempt de solvants et de composés organiques volatils (COV).

« Les CTQ [exigences critiques qualité] définies par Ford sont uniques et n'ont jamais été atteintes dans un seul produit commercial auparavant », explique Dave Bank, fellow, R&D Polyuréthanes Dow. « C'est pour cette raison qu'une chimie novatrice et une série de produits hautement non traditionnels étaient requis pour répondre à ces spécifications exigeantes. »

« La séparation thermodynamique de la stabilité en étagère et de la polymérisation dans le mélange résine/durcisseur produit une pâte sèche qui peut être infusée dans la fibre de carbone sans avancer la cuisson et produisant un composé de moulage sec, non collant », ajoute Bank. « Pourtant, lorsque les conditions de moulage atteignent 150 °C, la chimie est « chaude » et la cuisson avance rapidement. » Dow a déposé 21 demandes de brevet et en a obtenu quatre pour la technologie.

Caractéristiques supplémentaires du système VORAFUSE :

• Il est stable en étagère à température ambiante pendant 50+ jours mais offre une cuisson instantanée à 150 °C ou plus. Il ne nécessite pas de stockage au congélateur avant découpe de kits et moulage tant que la température de stockage n'excède pas 40 °C.
• Sa chimie sans adhérence est idéale pour la manipulation automatisée. Comme il manque du collant des préimprégnés traditionnels, il ne causera pas d'accumulation et de problèmes connexes avec les robots et autres équipements de manipulation automatisée.
• Il contient un agent de démoulage interne (IMR) novateur permettant aux transformateurs de mouler 1 000 pièces avant d'avoir à appliquer un démoulant externe sur les surfaces d'outillage. L'époxy est normalement antitétique à l'IMR car c'est un adhésif si efficace pour les métaux.
• Le produit non cuit peut être recyclé en pièces à haute valeur en le hachant et le réinjectant dans les systèmes de moulage comme un composé renforcé fibres discontinues idéal pour mouler des géométries complexes comme nervures/bossages. Contrairement aux préimprégnés époxy et SMC conventionnels, toute la chute non cuite peut être réutilisée, rendant le matériau plus durable et économisant les pertes de chute qui augmentent les coûts de pièce.

Phase 1 : Montant B-pillar en préimprégné

Après l'intégration de VORAFUSE dans le Projet 3.2, IACMI a commencé à travailler sur une application automobile qui devint la Phase 1 du projet global. Les membres de l'équipe incluaient Ford, Dow, DowAksa US LLC (la branche de Tucson, Arizona, États-Unis de DowAksa B.V., une coentreprise 50/50 entre Dow Chemical et Aksa Akrilik Kimya Sanayii A.Ş., Çiftlikköy-Yalova, Turquie) ; Michigan State University (East Lansing, Mich., États-Unis) ; Purdue University (West Lafayette, Ind., États-Unis) ; University of Tennessee-Knoxville (Knoxville, Tenn., États-Unis) ; Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Mich., États-Unis) ; et Oak Ridge National Laboratory (Oak Ridge, Tenn., États-Unis).

Dans la première phase, les chercheurs ont développé des préimprégnés renforcés en fibres de carbone continues (tissées et tissus sans ondulation) imprégnés de l'époxy. La résine VORAFUSE P6300 a été formulée pour compatibilité avec la fibre de carbone DowAksa A42 D012 24K à module standard. L'objectif de l'équipe était d'utiliser le préimprégné carbone/époxy pour développer des pièces composites structurelles à géométrie complexe pour remplacer le métal estampé dans des applications fortement sollicitées, critiques pour la sécurité, sur les structures de carrosserie primaire de véhicules à haut volume.

Pour le démonstrateur technologique, le montant B-pillar d'un côté d'un véhicule test Ford Fusion a été utilisé. La viabilité a d'abord été évaluée par simulation, puis des pièces physiques ont été moulées et soumises à tous les tests requis – y compris des crashs véhicules à pleine échelle. Les pièces ont passé avec succès, réduisant la masse de 3 kilogrammes par côté par rapport aux métaux en place. Les chutes non cuites ont été recyclées pour former les structures de nervures complexes du montant. Le composite haute performance a permis l'amincissement de la tôle environnante, qui put alors être spécifiée en alliages moins coûteux, offrant des économies de poids et de coûts supplémentaires.

Ayant satisfait à toutes les exigences de Ford, la première utilisation commerciale du matériau fut pour un longeron de toit avant et un panneau de fermeture de plancher avant sur la Ford GT supercar à intensive composite carbone.

Sans surprise, le préimprégné carbone/époxy porte une prime de coût, il est donc mieux adapté aux véhicules avec des mandats de réduction de masse significatifs qui peuvent payer une prime pour des opportunités d'économie de poids significatives.

Plus récemment, le Projet 3.2 s'est concentré sur le SMC renforcé fibre de carbone avec la nouvelle époxy pour panneaux structurels/intérieurs sur un capot de coffre (gauche) et un hayon (droite). Bien que le projet se termine maintenant, il a produit une technologie intéressante prête pour le commerce et indiqué des domaines où un travail supplémentaire est nécessaire. Source : Ford Motor Co.

Phase 2/Workstream 1 : Capot de coffre tout-SMC

Fort des succès du préimprégné, les chercheurs du projet ont ensuite exploré le SMC renforcé fibre de carbone discontinue avec la nouvelle résine époxy dans des structures 3D complexes avec fonctions critiques pour la sécurité. Dans un démonstrateur, le SMC carbone/époxy a été utilisé comme panneau intérieur/structurel d'un capot de coffre collé, et dans un autre démonstrateur pour le panneau intérieur/structurel d'un hayon collé bien plus grand et complexe (porte arrière/portillon contenant vitre, essuie-glaces, feux, etc.). Dans les deux workstreams, les contraintes de conception originales, le matériel, les techniques d'assemblage et les adhésifs structurels sont restés inchangés. Des cibles mécaniques exigeantes de plus de 300 MPa en résistance à la traction et plus de 40 GPa en rigidité à la traction – comparables au magnésium et à l'aluminium moulés en place – ont été utilisées. Le SMC avait aussi besoin d'un écoulement plus élevé que le préimprégné, donc un grade légèrement différent, VORAFUSE M6400, a été développé.

Pour le démonstrateur de capot de coffre, qui représentait une avancée incrémentale par rapport à la technologie verre/SMC actuelle, le SMC carbone/époxy a remplacé le SMC structurel conventionnel renforcé fibre de verre/polyester insaturé pour un panneau intérieur de capot sur un véhicule prototype Lincoln MKS. Le panneau intérieur SMC carbone/époxy a été collé à un panneau extérieur en SMC fibre de verre/polyester à faible densité (LD, 1,25 SG), qui a remplacé un SMC fibre de verre/polyester à densité standard (1,9 SG) en place. Les deux matériaux d'ancien et nouveau panneau extérieur étaient compatibles Classe A. L'outillage d'origine a été réutilisé pour mouler les panneaux intérieur en SMC carbone/époxy et extérieur en SMC fibre de verre/polyester. Le retrait – bien que légèrement différent entre les deux systèmes de résine – était suffisamment proche pour ne pas causer de problèmes d'ajustement et de finition (en d'autres termes, aucun changement dimensionnel significatif n'a été observé).

Le prototypage virtuel a soumis l'assemblage collé à plusieurs cas de charge exigeants, y compris rigidité torsionnelle, rigidité en coin avant, flèche de cascade et charges de verrouillage. Des dizaines de panneaux intérieurs et extérieurs ont ensuite été moulés, collés et testés – y compris des chocs arrière difficiles à 89 km/h. Les assemblages ont passé les tests virtuels et physiques sans problème.

La masse du capot a été réduite de 30 % (de 10,5 à 7,33 kilogrammes) par rapport au benchmark. Cependant, si les budgets avaient permis de réoutiller le panneau intérieur – qui aurait pu être conçu plus fin compte tenu de sa performance mécanique supérieure par rapport à l'existant – les chercheurs calculent que la masse aurait pu être réduite d'au moins 35 % avec des parois de 2 millimètres, et encore plus avec des parois de 1,5 millimètre.

Le SMC carbone/époxy a satisfait à toutes les exigences de Ford et peut maintenant être utilisé sur des plateformes commerciales, bien que le coût serait plus élevé qu'avec le SMC fibre de verre/polyester conventionnel.

Phase 2/Workstream 2 : Hayon SMC/aluminium

Pour le dernier projet, les chercheurs se sont tournés vers un scénario véritablement difficile : remplacer le métal léger par du SMC carbone/époxy pour produire un assemblage collé hybride (métal/composite) pour des hayons plus grands et plus complexes sur des véhicules test Ford Mondeo cinq portes/hatchback. Pour minimiser les changements dans les séquences de construction véhicule, les chercheurs ont conçu l'assemblage pour être ajouté à la caisse en blanc (BIW) avant le traitement de revêtement électrophorétique antirouille (e-coat) et les cycles de cuisson peinture associés.

Le SMC carbone/époxy a remplacé le magnésium pour les panneaux structurels/intérieurs qui ont été collés aux panneaux extérieurs aluminium en place. Comme un nouvel outillage devait être créé pour produire le panneau composite, la pièce a été redessinée. L'épaisseur du panneau a été variable selon les exigences de rigidité/résistance et pour ajouter des nervures. De plus, des renforts métalliques ont été utilisés dans les zones de fixation à forte charge pour vérins à gaz, verrous, charnières et serrures, ce qui a rendu le panneau composite quelque peu plus épais – ce que l'espace d'empaquetage permettait.

Une vue éclatée du hayon SMC/aluminium (avec quincaillerie métallique) pour la version cinq portes/hatchback de la Ford Mondeo. Source : Ford Motor Co.

Ces assemblages multi-matériaux ont été soumis à des exigences exigeantes, y compris charges de torsion et de flexion, stabilité latérale, résistance à la corrosion, durabilité à long terme et tests de crash arrière. Ils devaient également répondre à des exigences strictes de stabilité dimensionnelle concernant les marges et les affleurements.

Bien que le système hybride ait facilement satisfait à la plupart des exigences, il y a eu des problèmes d'ajustement et de finition dus aux incompatibilités de coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) entre les panneaux intérieurs composites et extérieurs en aluminium, ce qui a entraîné une accumulation de contraintes résiduelles dans les joints collés et une distorsion des panneaux après refroidissement. Un travail ultérieur avec l'équipe de simulation de l'Université Purdue s'est concentré sur l'amélioration des prédictions de module, résistance et cinétique de cuisson pour l'adhésif époxy 1K (choisi pour sa capacité à survivre aux températures d'e-coat) dans l'espoir de rétro-concevoir un adhésif qui fonctionnerait mieux. Le gauchissement a été réduit d'un ordre de grandeur, mais a légèrement manqué la cible. Plusieurs solutions sont possibles : un adhésif 2K/cuisson à température ambiante ou par induction pourrait être essayé ou un nouvel adhésif haute température pourrait être développé. À plus long terme, remplacer l'aluminium par du composite fibre de carbone sur le panneau extérieur éliminerait le problème, tout comme produire le hayon hors ligne et l'ajouter plus tard dans la séquence de construction véhicule. Cependant, les deux options ajoutent du coût.

Le Projet 3.2 se termine maintenant mais a produit une technologie intéressante, dont certaines – le préimprégné B-pillar et le SMC capot de coffre – sont prêtes pour le commerce, et d'autres indiquent des domaines où un travail supplémentaire est nécessaire.

« Travailler avec IACMI et nos partenaires industriels et académiques nous a permis de plonger beaucoup plus profondément dans la technologie depuis les premiers principes, de développer la science fondamentale et de puiser dans une base de connaissances bien plus large que nous n'aurions pu le faire seuls », résume Patrick Blanchard, leader du Projet 3.2, chef technique - systèmes polymères avancés, recherche & innovation Ford. « Nous nous réjouissons d'identifier de nouvelles opportunités commerciales et activités R&D pour continuer à travailler avec nos partenaires IACMI. »