Le design « squelette » optimise les structures composites automobiles pour une production rentable

Alors que les fabricants cherchent à réduire le coût des composants composites, les concepteurs s'efforcent d'utiliser les matériaux constitutifs aussi efficacement que possible tout en permettant une production automatisée et l'intégration de multiples fonctions. Pour les applications automobiles, ce défi est exacerbé par la nécessité de temps de cycle aussi courts que 1 à 2 minutes.

Le surmoulage : une solution poussée à un nouveau niveau

Le surmoulage — moulage par injection de caractéristiques en composite thermoplastique sur des préformes en fibres continues — est poursuivi comme solution possible depuis des années. Par exemple, le projet CAMISMA a démontré un dossier de siège composite surmoulé en 2014 (voir « Le dossier de siège CAMISMA : composite hybride pour grands volumes »). « Mais cette approche a été portée au niveau supérieur, atteignant maintenant une production entièrement automatisée de structures BIW [body-in-white] en composites thermoplastiques », explique le Dr Christoph Ebel, responsable du Lightweight & Application Center (LAC, Meitingen, Allemagne) de SGL Carbon (Wiesbaden, Allemagne).

L'approche par design « squelette »

Cette avancée est due à une approche de « design squelette » en développement depuis plusieurs années. Démontrée pour la première fois dans le projet MAI Skelett en 2015, le processus implique l'utilisation de pultrusions en fibres de carbone unidirectionnelles (UD) thermoplastiques qui sont thermoformées et surmoulées en un processus en deux étapes de 75 secondes pour produire un élément structural de toit dépassant toutes les exigences des versions précédentes. Il intègre également des clips pour fixations et modifie le comportement au crash de fragile à ductile pour une résistance résiduelle BIW accrue (voir « Plus de détails sur le processus de design MAI Skelett »).

Démonstrateur MAI Skelett

Le projet MAI Skelett de 17 mois a été soutenu par le Ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) et mené à bien par MAI Carbon, une division régionale du réseau Carbon Composites e.V. (Augsbourg). Piloté par BMW (Munich, Allemagne), l'objectif du projet était de réaliser un démonstrateur spécifique : le cadre de pare-brise, situé entre les deux montants A au-dessus du pare-brise. Son design était basé sur la structure actuelle de la BMW i3, incluant toutes les exigences fonctionnelles et spatiales. Le cadre de pare-brise sert non seulement d'élément structural transversal pour le toit, mais fournit aussi d'autres fonctions : rigidité, qui réduit aussi le bruit, les vibrations et la dureté (NVH) ; résistance (test d'écrasement du toit) pour aider à répondre aux exigences de crash ; un support pour composants intérieurs (pare-soleil, garniture intérieure, faisceau de câblage pour l'éclairage, etc.), ainsi que le support pour les connexions avec le pare-brise, le toit ouvrant et le panneau de toit extérieur.

Le cadre de pare-brise au design squelette comprenait quatre barres pultrudées renforcées en fibres UD dans les coins de la pièce, encapsulées dans un cadre surmoulé pour fournir une rigidité torsionnelle et des fixations fonctionnelles de forme complexe. Les profils pultrudés ne sont pas tous dans un même plan, mais sont disposés à différentes hauteurs : deux près du bas de la pièce de 60 millimètres de haut, et deux près du haut.

Pultrusions : un élément de la boîte à outils TP

Pour le cadre de pare-brise MAI Skelett, une section carrée de 10 sur 10 millimètres a été finalisée. L'objectif était d'utiliser des fibres de carbone à gros brins moins chères. Cependant, la fibre 50K choisie a un compactage serré de myriades de filaments qui rend l'imprégnation de résine plus difficile. « En général, ce défi peut être surmonté par un guidage et un écartement optimisés des fibres pour atteindre une imprégnation optimale et un taux de fibres en volume autour de 50 % », explique Veronika Bühlers, chef de produit thermoplastiques chez SGL. SGL a maîtrisé cette technologie et propose désormais les pultrusions dans sa boîte à outils thermoplastiques. « Nous avions déjà une large connaissance des semi-produits grâce à nos bandes thermoplastiques, qui sont aussi basées sur la pultrusion. Nous avons donc pu adapter rapidement nos technologies de pultrusion actuelles pour créer nos propres profils. » Le processus inclut des tests de qualité pour le taux de fibres, la porosité et la précision dimensionnelle. « Ce dernier est très important en raison de l'automatisation et de la manipulation robotisée », poursuit-elle. « Il ne peut y avoir de courbure, par exemple, due aux contraintes résiduelles dans les profils pultrudés. »

Au-delà des renforts par pultrusion, les résines thermoplastiques ont aussi été étudiées dans MAI Skelett. Divers types de polyamide 6 (PA6 ou nylon 6) ont été testés pour déterminer la viscosité et la rhéologie requises pour une qualité et une vitesse de pultrusion optimisées. SGL a proposé une gamme de matériaux pour le projet via sa boîte à outils thermoplastiques, qui comprend des bandes UD, des organo-feuilles, des fibres hachées pour composés renforcés en fibres courtes et longues, et maintenant des pultrusions renforcées UD, toutes basées sur des fibres de carbone SIGRAFIL 50K avec un enduction adaptée à une matrice de polypropylène (PP) et de polyamides, dont le PA6 ou le PA6 in-situ. « Il est essentiel d'harmoniser fibres, enduction et matrice pour atteindre une performance optimale des structures composites », dit Bühlers.

Elle explique aussi le PA6 in-situ : « C'est quand vous faites réagir des monomères de caprolactame, ou un monomère unique avec un catalyseur et un activateur, qui polymérisent [forment de longues chaînes polymères] pendant le moulage de la pièce composite. » En d'autres termes, le caprolactame polymérise in situ en polyamide. Bühlers note que les polyamides comme groupe polymère incluent le PA66 et le PA12, ainsi que certains types de PPA comme choix de matrices supplémentaires.

Un autre aspect important de la fabrication du cadre de pare-brise est la capacité des semi-produits thermoplastiques à être thermoformés pendant et après le moulage. Cela permet une fonctionnalisation supplémentaire de la forme ainsi que le soudage par fusion pendant le surmoulage. Les deux étaient des facteurs importants dans le design du démonstrateur MAI Skelett.

Thermoformage et surmoulage

La production du cadre de pare-brise MAI Skelett a commencé avec des profils pultrudés en fibres de carbone/PA6. Ceux-ci ont ensuite dû être modifiés pour s'adapter à la forme du composant ainsi qu'à l'introduction de charges à différents points. Le thermoformage a été choisi pour cela, la préoccupation principale étant que la haute résistance et rigidité de la fibre de carbone ne pouvait être réalisée qu'en la gardant aussi droite que possible. Cela a été atteint lorsque les barres pultrudées ont été étirées dans le sens de l'écoulement de la matrice, puis aplaties et pliées aux extrémités des barres (Fig. 1).

La deuxième étape du processus consistait à placer les profils pultrudés thermoformés sous un chauffage infrarouge pour les amener à température en moins de 50 secondes, suivi du transfert dans un moule d'injection à l'aide d'un système de manipulation automatisé développé à cet effet. Toutes les pièces du projet ont été produites sur des presses à injection existantes. Un composé renforcé en fibres a ensuite été surmoulé sur et autour des profils. Une précision était requise tant dans le moule que dans le processus lors du surmoulage afin de maintenir les quatre barres pultrudées thermoformées en position.

Le temps de cycle total pour le processus en deux étapes (thermoformage et surmoulage de pultrusions préfabriquées) était d'environ 75 secondes. « Parce que la matrice thermoplastique est refondue avant le surmoulage, cela permet de former et de souder les barres préfabriquées et thermoformées dans la pièce finie en temps de cycle très courts », explique Ebel. « De manière générale, la fusibilité des thermoplastiques permet aussi l'assemblage avec des composants métalliques », ajoute Bühlers, notant que les procédés de thermoformage et de moulage par injection thermoplastiques offrent une excellente reproductibilité et un contrôle de processus, facteurs critiques pour la production à grand volume.

Rupture ductile

Des profils PPA et PA6 avec des composés de moulage compatibles utilisant fibres de verre et de carbone ont été évalués pour explorer un mode de rupture plus ductile pour le composant. Bien qu'un mode de rupture plus ductile ait diminué la quantité de charge que le cadre de pare-brise pouvait transférer, il a amélioré l'intégrité structurelle du BIW dans son ensemble.

Les méthodes d'analyse comprenaient la modélisation solide, la modélisation par armatures (modélisation géométrique où les pultrusions agissent comme armatures renforçant le surmoulage) et la modélisation par éléments de coque, ainsi que diverses combinaisons de celles-ci. Les logiciels inclus le solveur FE ABAQUS (Dassault Systèmes, Paris, France) et le solveur de paramètres Dakota développé par les Sandia National Laboratories (Albuquerque, N.M., États-Unis). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, Mich., États-Unis) a été utilisé pour l'optimisation topologique.

Bien que BMW n'ait pas spécifié de combinaison de matériaux préférée dans son rapport final de projet, il a conclu que les résultats finaux de simulation et de test montraient que les composants squelette dépassaient toutes les exigences pour la pièce actuelle en plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) sauf pour la rigidité torsionnelle, qui n'a pas été déterminée comme un facteur clé de design pour le cadre de pare-brise. Le design squelette a dépassé à la fois le niveau de charge et l'absorption d'énergie dans les cas de charge de crash par rapport à la pièce PRFC actuelle. Il a aussi réussi à atteindre un mode de rupture plus ductile, ce qui fait progresser non seulement la performance au crash des structures composites mais aussi la compréhension de cette performance et comment elle se rapporte à la structure BIW dans son ensemble.

Applications futures du design squelette

Dans le rapport final MAI Skelett, BMW a noté avoir identifié six autres composants de véhicule qui pourraient bénéficier de la réduction significative des coûts de fabrication, de matériaux et d'outillage apportée par l'approche design squelette. SGL Carbon suggère des applications dans les structures de sièges automobiles et aéronautiques, tableaux de bord, bras de robots, bancs de radiographie et plus.

Cependant, l'approche design squelette a été développée encore plus loin, s'étendant aux composants multiaxialement sollicités dans le projet suivant MAI Multiskelett (mené de septembre 2015 à juin 2017). Il a examiné les zones où les composants porteurs et les profils pultrudés se croisent, et aussi les zones d'introduction de charges élevées, particulièrement pour les grands composants structurels où plusieurs chemins de charge principaux se croisent. Comme dans le projet Skelett précédent, des designs de composants et des lignes de production série rentables ont été étudiés.

Un exemple de la façon dont le design squelette peut optimiser davantage les composants composites existants est le Carbon Carrier avant intérieur pour un véhicule électrique (Fig. 2) développé par SGL et le spécialiste de technologie automobile Bertrandt (Ehningen, Allemagne) en 2017. Intégrant tous les composants majeurs de fonction et de garniture d'un tableau de bord conventionnel, le Carbon Carrier était basé sur une organo-feuille thermoformée comme « colonne vertébrale » porteuse pour ajouter de la rigidité. « À l'avenir, cette pièce pourrait être remplacée par un design avec profils thermoplastiques surmoulés », dit Ebel. « Cela omettrait les opérations de découpe, drapage et rognage pour l'organo-feuille. De plus, la traverse serait obsolète car nous l'intégrerions comme profils pultrudés et les surmoulerions pour obtenir le design du tableau de bord. Cette pièce surmoulée offrirait aussi plus d'espace et de flexibilité pour accommoder les éléments attachés requis ainsi que les vis et clips pour fixer ces éléments ou câbles, etc. »

Ebel concède que ce serait un énorme changement de design, « mais cela réduit le coût et rend le composant dans son ensemble plus efficace. » Il souligne qu'il est possible de concevoir un processus avec presque zéro déchet car les profils sont coupés exactement à la longueur nécessaire et aucun renfort en fibre de carbone n'est perdu dans ces étapes ou dans le thermoformage avant surmoulage. Bühlers souligne que les sièges sont aussi des candidats privilégiés pour le design squelette. « En composites, ils sont généralement faits avec des tissus ou des bandes, et restent des structures de type feuille. Mais nous pourrions diminuer l'épaisseur dans la zone plane en intégrant des profils au bas et en augmentant la rigidité. » Elle note que les profils pultrudés ne sont pas le seul produit UD efficace possible à construire autour. « Ce pourrait aussi être de la bande, qui s'adapte facilement aux chemins de charge pour chaque pièce. »

« Nous faisons visiter beaucoup d'entreprises au Lightweight & Application Center », dit Ebel. « Le design squelette en tant que concept innovant supplémentaire a inspiré beaucoup d'intérêt et est vu comme très prometteur par nos visiteurs. » Il explique que le centre a développé ses capacités de design et peut aider les entreprises à intégrer des idées innovantes comme le concept squelette pour ouvrir un nouvel espace de design pour futurs composants efficients en matériaux.

« Il y a beaucoup d'applications où nous pouvons utiliser des designs similaires au cadre de pare-brise », dit Bühlers. « Il est important pour l'industrie de passer du drapage quasi-isotrope, qui laisse une grande partie de la résistance et rigidité de la fibre de carbone sur la table. Au lieu de cela, nous devons exploiter des formes de matériaux plus efficaces, mettant chaque matériau seulement là où il est nécessaire. C'est ce dont l'industrie a besoin pour l'avenir. »