Première porte thermoplastique ouvrant la voie aux composites automobiles avancés

Les constructeurs automobiles et équipementiers de rang 1 luttent avec le besoin de réduire la masse des véhicules pour respecter les objectifs d'économie de carburant et d'émissions de carbone. Les matériaux composites ont le potentiel de contribuer significativement à cet allègement dans de nombreux domaines, mais le coût, les problèmes de conception, le traitement peu familier et la concurrence d'autres matériaux continuent de présenter des obstacles. Pour les surmonter, de nombreux projets étudient comment les composites peuvent être intégrés dans des structures automobiles multi-matériaux pour un maximum d'avantages.

Un projet abordant comment les composites peuvent réduire les structures de fermeture porteuses est mené par le Centre des composites de l'Université Clemson (Clemson, SC, États-Unis), le Centre international de recherche automobile de l'Université Clemson (CU-ICAR) et Honda R&D Americas (Raymond, OH, États-Unis), avec le soutien du Centre des matériaux composites de l'Université du Delaware (CCM, Newark, DE, États-Unis) et le financement du Département de l'énergie américain (DOE, Washington, DC, États-Unis).

L'objectif du projet, dit l'investigateur principal Dr. Srikanth Pilla, professeur titulaire de la chaire Jenkins en génie automobile et doyen de la faculté à Clemson, est la question de savoir si les composites peuvent permettre des systèmes de fermeture ultra-légers — portes, capots, hayons — pour compléter les avancées concomitantes en technologie de groupe motopropulseur et meilleure aérodynamique : « Dans le portefeuille technologique pour l'allègement, une grande partie des « fruits à portée de main » a déjà été mise en œuvre — par exemple, le downsizing du moteur. Nous pensons qu'il y a un potentiel de gains d'efficacité dans le domaine des systèmes de fermeture structurels porteurs à un prix raisonnable. »

Collaboration et travail d'équipe sont clés

Le projet de quatre ans, commencé en 2016, est né d'une sollicitation du DOE, partie de la série de Grand Challenges de l'administration Obama pour faire avancer la science et l'ingénierie sur de nombreux sujets, y compris le respect des normes d'émission automobiles. L'appel à propositions demandait la conception et le développement d'une portière de voiture offrant une réduction de poids de 42,5 % par rapport à une portière OEM standard, tout en maintenant une performance de crash, durabilité et performance usage/mauvais usage similaires, et une performance similaire en bruit, vibrations et dureté (NVH). Et, quel que soit le design de la porte légère, elle devait utiliser des systèmes de matériaux commercialement disponibles et s'échelonner à des volumes de production d'au moins 20 000 véhicules par an.

Honda a rejoint comme conseiller OEM du projet de recherche car le projet s'alignait avec « notre vision de créer finalement une société sans émission », dit Skye Malcolm, ingénieur principal, Planification avancée & Vérification Développement fondations véhicule chez Honda R&D Americas. Honda a aussi ajouté ses propres contraintes au projet, dit-il : « La conception de porte à développer par l'équipe doit utiliser la même géométrie d'étanchéité, avoir tous les mêmes équipements fonctionnels que la porte de base, fournir une finition Classe A indiscernable de la base et répondre aux exigences de durabilité et vieillissement de Honda. » L'équipe a apporté un objectif supplémentaire que la porte soit 100 % recyclable. Peut-être le plus important, le DOE a imposé un coût maximum autorisé par livre de poids économisé (par rapport à la porte de base) de 5 $. Cela signifiait que pour une porte Acura MDX typique pesant 31,8 kg, une réduction de poids de 42,5 % amènerait le poids cible global à 18,3 kg, ce qui (à 5 $/lb de poids économisé) signifiait que la porte composite ne pouvait qu'ajouter 150 $ au coût de la porte.

Soutenant Pilla sur le projet sont plusieurs étudiants de premier cycle et cycles supérieurs, Dr. Gang Li, professeur de mécanique de l'ingénieur à Clemson, et Drs. Bazle Haque et Shridhar Yarlagadda du CCM de l'Université du Delaware, experts en composites multi-matériaux. Yarlagadda, co-investigateur principal du projet, souligne : « Honda a été une partie intégrante de notre effort et a fourni un niveau exceptionnel de collaboration et d'engagement à notre programme, incluant support calcul HPC et accès aux ingénieurs Honda sur tout le spectre. La conception, fabrication et intégration de composants composites doivent être combinées avec un certain nombre d'exigences « douces » pilotées par le client pour créer un design de système acceptable, et cela n'aurait pas été possible sans le soutien de Honda. » Ce sentiment est partagé par les autres membres de l'équipe, ajoute Pilla : « La simple substitution de matériau n'était pas une solution. Nous devions regarder une approche système, et Honda nous a aidés à comprendre tous les éléments du système de porte jusqu'au niveau composant. En effet, leur partenariat et implication sont sans précédent. »

Conception d'une nouvelle porte

L'analyse initiale incluait le benchmarking d'autres efforts OEM pour fermetures légères pour modèles de niche, incluant le cadre de porte en aluminium d'Audi pour son modèle A8, le cadre de porte en magnésium de la Porsche Panamera et le cadre de porte en composite carbone/thermodurcissable de la BMW i8. Aucune de ces approches OEM précédentes ne répondait cependant aux objectifs de coût ou de poids de ce projet. Dit Pilla : « Je voulais faire partie de quelque chose qui bénéficierait à l'avenir, qui contribuerait à une économie circulaire. Une porte thermoplastique n'avait jamais été tentée auparavant, et elle serait recyclable. » Comparé aux autres matériaux candidats, incluant composites thermodurcissables, aluminium et acier, les thermoplastiques offraient non seulement la recyclabilité mais un potentiel très élevé pour l'allègement et des vitesses de traitement rapides (comparé aux thermodurcissables) pour atteindre les objectifs de production.

Avec la porte Acura MDX originale comme base (Fig. 1), l'équipe a décomposé son mélange de matériaux : 62 % métal, 21 % polymère pur rigide, 13 % verre et 4 % élastomère. La plus grande opportunité d'allègement, 60 %, viendrait du cadre de porte métallique, que l'équipe visait à réduire d'un poids de base de 15,4 kg au poids cible de 6,2 kg. Bien qu'il n'y ait pas de chance de réduire le poids dans les composants internes et l'électronique de la porte (haut-parleur radio, servo pour lever/baisser la vitre, serrure de porte, etc.), l'équipe a déterminé que le poids de la vitre pouvait être réduit de 20 %, peut-être en la rendant plus fine mais sans compromettre les métriques cibles de NVH et durabilité. De plus, l'équipe a estimé que le poids des éléments de garniture sur la surface intérieure de la porte pouvait être réduit de 30 %, voire éliminé.

Les tâches majeures du projet ont fonctionné en parallèle pendant les deux premières années. Certains membres d'équipe ont travaillé sur la génération de données matériaux, tandis que d'autres s'attaquaient aux spécificités de conception de porte. Le groupe données matériaux a généré des données de test matériaux pour une variété de thermoplastiques — bandes continues, nappes, polymères renforcés fibres courtes et longues et plus — pour déterminer les matériaux candidats pour le cadre intérieur et le panneau extérieur ; les matériaux étaient fournis par plusieurs partenaires fournisseurs industriels. Les données étaient évaluées via des graphiques araignée, avec résistance globale, résistance au cisaillement, coût admissible, densité admissible, rigidité et ténacité comme axes du graphique.

Les meilleures options matériaux suivant l'évaluation initiale — bandes fibres continues et granulés thermoplastiques renforcés fibres longues — ont subi une modélisation matériaux, explique Pilla : « Il était possible de construire une matrice de rigidité orthotrope simple pour les bandes fibres continues, basée sur la loi de Hooke. » Pour le polymère renforcé fibres longues, cependant, des simulations secondaires étaient nécessaires pour prédire la résistance et la rigidité d'une pièce de porte moulée par injection, à cause de l'anisotropie introduite à la fois par la géométrie finale de la pièce et le processus de remplissage du moule. Ajoute Pilla : « La modélisation de ces matériaux fibres longues est difficile, car pas grand-chose n'a été fait en simulation. » Pour rassembler les données nécessaires, l'équipe a développé une boucle d'optimisation fabrication. Des formes de pièce génériques pour le cadre intérieur et le panneau extérieur de la porte étaient générées avec le logiciel SolidWorks 3D de Dassault Systèmes (Waltham, MA, États-Unis) ; des simulations de remplissage de moule de ces formes étaient menées pour déterminer les vecteurs d'écoulement de fusion avec l'aide du logiciel Moldex3D de Moldex (Chupei City, Taïwan) ; la dynamique d'écoulement de fusion et les collisions étaient analysées pour déterminer l'orientation des fibres via le logiciel Digimat d'e-Xstream (Hautcharage, Luxembourg, une entreprise Hexagon) ; et les orientations de fibres mappées étaient utilisées pour générer une matrice de rigidité en utilisant des outils d'éléments finis (FEA), incluant des cartes matériaux fournies par la solution CAE HyperWorks d'Altair Engineering Inc. (Troy, MI, États-Unis). Au fur et à mesure que les formes de pièce étaient modifiées, et que les matériaux étaient testés, la boucle d'optimisation était répétée plusieurs fois.

Simultanément, d'autres membres d'équipe travaillaient sur le développement réel de concepts de porte, et éventuellement, simulations d'outillage et fabrication. En partant d'esquisses brutes et sélection de matériaux haut niveau, une gamme de designs était créée. Ensuite, des modèles CAO bruts étaient générés, avec simulations FEA initiales pour cas de charge statiques simples. À l'automne 2016, dit Pilla, un atelier de conception a eu lieu à CU-ICAR où l'équipe a réduit les options de concept de porte à sept, pour travail ultérieur. « Notre philosophie de conception depuis le début était de maximiser l'intégration fonctionnelle des pièces et matériaux, minimiser le nombre de pièces, maximiser l'efficacité des matériaux utilisés par optimisation et simplifier l'assemblage », dit Pilla.

À ce stade, des modèles CAO détaillés étaient générés et simulations FEA effectuées pour chaque concept pour valider la performance statique en conformité avec les cibles de Honda. En tenant compte de la fabricabilité et l'intégration des sous-systèmes, le Concept 7 (approche cadre spatial) a commencé à converger vers le Concept 2 (cadre structurel monobloc), donc l'équipe a décidé de continuer avec le Concept 2, en incorporant les leçons apprises de l'approche cadre spatial. Ce concept consiste en quatre éléments : le panneau extérieur Classe A, les organes de porte, un cadre ou panneau intérieur, et les éléments de garniture intérieure.

Cadre intérieur multi-matériaux, panneau extérieur Classe A

L'équipe a sélectionné les matériaux et procédés de fabrication pour le design final de porte à mi-2018, avec un gel de conception le 15 janvier 2019 ; la fabrication d'outillage et le prototypage ont commencé. La Figure 2 montre les détails pour le cadre intérieur de 1,2 mm d'épaisseur et ses composants (le panneau extérieur Classe A n'est pas montré). « Beltline » fait référence à une ligne de style formée par le bord inférieur de la vitre, où des raidisseurs ont été placés pour aider à soutenir les panneaux composites moulés. Pilla note que la poutre anti-intrusion, pour la protection des passagers en cas de choc latéral, a dû rester en acier pour garder le poids global de la porte plus bas — une poutre composite avec la même performance aurait été trop lourde. Un élément clé du design est le système de fixation pour connecter le cadre intérieur au panneau extérieur. Pilla explique : « Le panneau extérieur Classe A sera attaché à la porte à la fin de la ligne d'assemblage, ce qui permettra aux associés d'installer facilement les organes de porte au préalable, et aussi d'éviter tout dommage à la surface Classe A pendant l'assemblage. » Des caractéristiques d'emboîtement moulées sur le cadre intérieur sont ajustables, pour accommoder les tolérances de fabrication dans la direction Y, ajoute-t-il, tandis que des trous oblongs pour fixations métalliques aident à compenser les tolérances de fabrication dans les directions X et Z, pendant l'assemblage.

Pour aider à la réduction de poids, le design de porte actuel n'a pas de panneau de garniture intérieure conventionnel. À la place, quelques pièces moulées fonctionnelles ont été conçues, incluant une poche de porte moulée par injection, un accoudoir en bois naturel surmoulé avec plastique ABS, et un rembourrage cuir laminé avec mousse. Ensemble, ces pièces pèsent 1,34 kg, comparé au panneau intérieur de base à 3,49 kg. Pilla dit que l'équipe s'attend à économiser plus de poids avec l'optimisation du design.

Actuellement, l'analyse FEA et l'optimisation sont en cours, pour modéliser à la fois les cas de charge statiques et les charges de crash dynamiques que la porte composite devra supporter. Les cas de charge statiques seuls sont impressionnants, et incluent l'affaissement de porte, rigidité beltline, rigidité montage rétroviseur, rigidité traction poignée de porte et plus. Les tests de charge dynamique, dit Pilla, pour l'instant consistent en le test quasi-statique sur poteau Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 214, dans lequel une porte de véhicule est écrasée vers l'intérieur par un poteau (qui manque le toit et la carrosserie) sur 18 pouces tandis que toutes les exigences de force minimale sont maintenues : « Ce cas est le moins intensif en calcul comparé aux deux autres tests de crash [le test poteau FMVSS 5^e Percentile Female (AF5) à 75° et le test Insurance Institute for Highway Safety Side Impact Criteria Evaluation (IIHS SICE)]. Cela nous permettra de mener plus d'expériences de conception et boucles d'optimisation. »

Ajoute Gang Li : « L'intégration du processus de fabrication composite et des simulations de performance structurelle avec algorithmes d'optimisation est à la fois intrigante et difficile. Bien que le défi réside dans la complexité du système et l'échelle des calculs impliqués, une telle intégration fusionne les espaces de conception structurel, matériau et processus de fabrication ensemble et nous fournit plus d'opportunités pour l'allègement et la performance améliorée. » Et, répondre à ce cas de charge poteau signifie que la porte est proche de répondre aux deux autres tests poteau et choc latéral, ajoute-t-il.

« Nos tests jusqu'à présent montrent que la porte composite répond facilement aux exigences fédérales, mais la performance complète de notre porte de base Acura est bien plus élevée que ces exigences », dit Pilla. Les résultats FEA jusqu'à présent montrent que la porte composite légère absorbe plus d'énergie que la porte de base (23,59 kJ vs 15,34 kJ) ce que Pilla attribue à la capacité des composites à absorber de l'énergie de déformation additionnelle après le point de cédrance initial. Mais, les simulations montrent que des améliorations peuvent être faites, tant au raidisseur beltline extérieur qu'à l'architecture de renforcement du cadre intérieur.

Il reste un an dans le calendrier initial du projet, le groupe génère des simulations de fabrication et approches d'outillage ; crée un plan de production de masse pour mise à l'échelle et coûts estimés d'une ligne de production ; et produit des prototypes pour tests de performance crash et mécanique, ajustement et finition, et vieillissement accéléré.

Dit Pilla : « La porte composite n'atteint pas encore la cible, due aux épaisseurs des panneaux, et elle n'est pas complètement optimisée. Bien que nous soyons bien plus légers que la base acier, nous n'avons pas encore atteint notre objectif de réduction de poids de 42,5 %, mais nous sommes optimistes quant à l'atteindre. » Une porte prototype pour tests d'ajustement et fonctionnels sera prête bientôt. L'équipe du projet croit que les matériaux et technologies développés pour cette porte peuvent facilement être transposables à d'autres composants automobiles (par exemple, pièces boulonnées et carrosserie en blanc), et le coût d'infrastructure relativement bas des processus composites peut permettre à de nouveaux OEM et fournisseurs d'implémenter ces technologies — une victoire pour les composites automobiles.