Les thermoplastiques hybrides améliorent la résistance aux chocs du plancher dans la conception automobile

Un programme pluriannuel ambitieux du consortium allemand « Conception légère multi-matériaux intégrée pour l'électromobilité » (SMiLE) a développé un module de plancher automobile démonstrateur qui fait partie d'une structure de caisse en blanc (BIW) hybride plus large et qui montre un grand potentiel pour l'utilisation de composites et métaux non ferreux dans un environnement de production à volume moyen. Le plancher arrière de ce véhicule électrique à batterie (BEV) comprend deux types de composites thermoplastiques, plus des profilés et inserts métalliques. Il fonctionne comme plancher du coffre et de l'habitacle arrière. À son tour, il est collé et vissé mécaniquement à un second plancher hybride/thermodurcissable, moulé par injection de résine (RTM) à partir de fibre de carbone époxy avec inserts métalliques et structures sandwich locales à cœurs en mousse polyuréthane. Cette structure est le plancher de la moitié avant du véhicule et contient ses batteries. Le module de plancher complet est collé et vissé à des longerons/rails latéraux en aluminium, eux-mêmes boulonnés aux traverses du monocoque aluminium du véhicule. L'ensemble du module démonstrateur a été conçu pour réduire la masse et fournir une absorption significative de l'énergie de choc pour un véhicule de série avec des volumes de 300 voitures/jour.

Choix de conception

Les membres du consortium ayant travaillé sur le plancher arrière incluaient les constructeurs Audi AG (Ingolstadt, Allemagne – également chef de file de l'ensemble du programme SMiLE) et Volkswagen AG (Wolfsburg, Allemagne) ; l'Institut de technologie des véhicules du KIT (KIT-FAST, Karlsruhe, Allemagne) ; l'Institut Fraunhofer de technologie chimique (F-ICT, Pfinztal, Allemagne, chef de file pour les projets planchers avant et arrière) et l'Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux (F-IWM, Fribourg, Allemagne) ; le fournisseur de composites thermoplastiques BASF SE (Ludwigshafen, Allemagne) ; le constructeur de machines Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Allemagne), et l'outilleur/mouleur Frimo Group GmbH (Lotte, Allemagne).

La décision a été prise de produire le plancher arrière en composites thermoplastiques avec inserts métalliques. L'équipe voulait ajouter des fonctionnalités de coffre et structures de fixation de ceintures de sécurité du second rang, mais aussi utiliser le plancher pour absorber des énergies de choc significatives. Normalement, les constructeurs comptent principalement sur des profilés métalliques sur les côtés des planchers métalliques pour gérer les énergies de choc arrière sur les véhicules de tourisme. Cependant, compte tenu de la résistance aux chocs des composites thermoplastiques, les chercheurs se demandaient si la largeur et la longueur entières d'un plancher composite pouvaient gérer les charges de choc. Ils se demandaient aussi si des énergies de choc plus élevées pouvaient être absorbées.

Les chercheurs ont passé en revue les composites thermoplastiques automobiles courants. Les matrices polypropylène (PP) et polyamide 6 (PA6) étaient envisagées mais le PP a été éliminé pour des raisons de température car le plancher arrière traverse avec le BIW le processus de revêtement électrophorétique (e-coat) à haute température pour la prévention de la rouille. Un renforcement en fibres continues était nécessaire pour atteindre la rigidité et la résistance les plus élevées, donc les travaux préliminaires se sont concentrés sur l'organosheet renforcé de tissu (une forme de composite thermoplastique à mat de verre GMT) et les bandes préimprégnées thermoplastiques unidirectionnelles (UD). Pour de nombreuses raisons, les bandes ont été sélectionnées pour le prototypage ultérieur.

Les chercheurs savaient que la géométrie du plancher arrière serait complexe. L'utilisation de machines de dépôt de bandes automatisé (ATL) – qui placent les bandes UD dans n'importe quelle orientation et créent des fenêtres/trous avec moins de matière que l'organosheet – réduirait les rebuts, la masse et le coût, et permettrait l'utilisation la plus efficace des fibres localement et globalement sur la pièce. De plus, comme les fibres placées via ATL sont plates et parallèles dans chaque couche de l'empilement et ne sont pas tissées comme les tissus, il n'y a pas d'ondulation et donc pas de perte de rigidité et résistance.

Les bandes UD ont cependant des limitations : elles sont relativement chères et ont une mauvaise drapabilité avec presque pas d'écoulement, rendant difficile le remplissage de géométries complexes. Ces problèmes ont été surmontés en utilisant sélectivement des composites thermoplastiques à fibres longues discontinues/hachées (D-LFT), qui sont fluides, permettent des niveaux élevés d'intégration fonctionnelle/consolidation de pièces et sont bien plus faciles à former en nervures complexes sans pontage de fibres, tout en absorbant une énergie de choc significative. Avec le D-LFT, il est aussi plus facile d'insérer des fixations métalliques, surtout si les inserts sont pré-percés pour laisser le composite s'écouler à travers et autour du métal, créant une liaison forte par verrouillage mécanique. De plus, le D-LFT est moins coûteux que les bandes ou l'organosheet et bien plus facile à mouler en sections épaisses. Composé au bord de la presse, le D-LFT simplifie la gestion des stocks de matériaux et offre une grande flexibilité sur les programmes de développement pour changer rapidement les caractéristiques matériaux – longueur et type de fibre, fraction volumique de fibre (FVF) et matrice – au fur et à mesure que les pièces sont faites et évaluées. En production, les paramètres matériaux/procédé sont contrôlables pour atteindre des niveaux élevés de répétabilité et reproductibilité (R&R), c'est pourquoi l'automobile utilise ce procédé pour la production de volume moyen à élevé depuis près de deux décennies.

Comme les chercheurs voulaient garder le plancher arrière mince et léger et capable de résister au flambage tout en absorbant de fortes charges d'impact, ils ont mené des simulations et développements initiaux par tests sur petites pièces avec bandes et D-LFT renforcés fibres de verre et carbone à différentes fractions massiques de fibres (FWF) pour évaluer performance mécanique vs comportement de remplissage. Bien que les composites carbone produisent des structures plus minces, légères et rigides que le verre, comme le coût était aussi une préoccupation et que le plancher avant utilisait déjà du carbone, les chercheurs ont sélectionné le verre pour renforcer le plancher arrière lors du passage à l'échelle aux pièces pleine grandeur. D-LFT Ultramid B3K PA6 avec 40 % en poids fibre de verre et huit couches d'Ultratape B3WG12 PA6 avec 60 % en poids fibre de verre, tous deux de BASF, ont été utilisés.

Après de nombreux travaux de simulation, la conception finale du plancher arrière de 1,3 x 1,3 m comprend une structure coquille mince, près du format final, produite à partir de bandes UD préconsolidées en stratifié entrelacé avec une zone d'écrasement D-LFT plus épaisse (voir Fig. 2). De grandes corrugations, également en bande UD, avec des creux profonds (50 mm de haut par 115 mm de large) ont été moulées le long de l'axe longitudinal pour une haute rigidité à faible masse et épaisseur. De plus, deux fenêtres ont été formées pendant le dépôt de bandes pour permettre au D-LFT de pénétrer à travers le stratifié là où il était nécessaire. Comme les corrugations profondes sont difficiles à former dans de grands stratifiés, il a fallu modifier à la fois le processus de moulage et l'outillage pour produire de bonnes pièces (voir « Comment la recherche sur un module de plancher automobile a conduit au développement d'un nouveau sous-procédé D-LFT/moulage par compression »). Ces corrugations, en combinaison avec deux charges de D-LFT formant des nervures complexes en treillis en X, génèrent un moment d'inertie élevé pour la surface, augmentant la rigidité de la pièce dans ce design mince et léger tout en évitant le flambage en cas de collision. Les treillis D-LFT à l'arrière forment une zone d'écrasement pour absorber l'énergie en cas de choc arrière. Des profilés aluminium étaient moulés intégralement sur les côtés axiaux du plancher et liés au D-LFT et stratifié via traitements de surface spéciaux et trous assurant le verrouillage. Ces profilés étaient soigneusement conçus pour augmenter encore la rigidité, fournir un bon comportement au flambage et transférer la force vers la zone d'écrasement D-LFT lors d'un choc. Ils fournissent aussi des points de fixation pour le montage direct du plancher arrière sur les structures métalliques environnantes. Des inserts métalliques additionnels, également moulés intégralement, assuraient le montage direct des verrous de ceintures.

Implémentation réussie

Les travaux de simulation ainsi que les tests sur petites et grandes pièces ont vérifié que l'ensemble du plancher arrière hybride pouvait gérer les charges de choc. Une évaluation plus approfondie a révélé que cette technologie devrait être aussi sûre que les structures métalliques conventionnelles.

L'un des objectifs du projet – réduire la masse totale du BIW à 200 kg – a été théoriquement atteint lors de la simulation et du développement sur petites pièces. Cependant, au fur et à mesure de l'évolution du projet, une meilleure performance au choc était souhaitée, ce qui a nécessité d'ajouter de la masse aux structures composites. De plus, des considérations de coût ont conduit au passage de la fibre de carbone à la fibre de verre pour le plancher arrière. Le plancher arrière résultant avec inserts pèse 32,9 kg, tandis que le plancher avant (avec inserts mais sans batteries) pèse 12,1 kg. Pour les pièces de test finales, l'objectif de masse a été manqué de seulement 4,3 % pour atteindre une sécurité plus élevée et des coûts plus bas. Le BIW SMiLE serait aussi plus coûteux que les systèmes métalliques conventionnels en raison de l'utilisation intensive de renforcement carbone dans le plancher avant.

Le projet plancher arrière a conduit au développement par le F-ICT d'un sous-procédé D-LFT/compression appelé LFT avancé local sur mesure, qui applique sélectivement du matériau D-LFT à des structures largement en bandes UD pour produire des géométries localement complexes (comme les nervures) impossibles à réaliser avec les bandes. Une autre technologie du F-ICT développée avant SMiLE mais utilisée sur le projet est une méthode pour chauffer et consolider rapidement les bandes thermoplastiques via consolidation par vide induite par rayonnement, technologie désormais disponible commercialement chez Dieffenbacher sur une machine appelée Fibercon.

Remarquablement, le processus expérimental et l'outillage très complexe produit par Frimo ont fonctionné dès le début et plus de 100 pièces démonstratrices ont été produites pour tests et démonstrations ultérieurs. Bien que l'équipe ait conçu le processus pour être réalisé en une seule étape, Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner, chef d'équipe F-ICT pour le traitement thermoplastique et chef du projet plancher arrière, pense qu'en environnement de production il serait plus efficace de former cette pièce complexe en deux étapes, avec préformage du stratifié dans un outillage séparé. « Nous avons opté pour essayer le processus plus difficile en une étape d'abord et cela a bien fonctionné », explique Baumgärtner. « Cependant, l'outillage était très complexe et le contrôle de processus pas si facile. Si le stratifié devenait trop chaud par endroits, il avait une interaction très forte avec les brins LFT. Pour assurer une bonne répétabilité en production, il serait mieux de simplifier et choisir un processus en deux étapes, plus robuste. » Néanmoins, compte tenu de la grande taille de cette pièce composite et du processus complexe utilisé pour la former, l'équipe était très satisfaite des résultats. « Nous avons démontré qu'on pouvait produire une pièce innovante et économique, optimisée en poids et performance, avec une haute intégration fonctionnelle en utilisant une technologie commerciale », ajoute-t-il.

Le plancher complet a remporté le prix de l'innovation CCE-JEC 2018 en Chine et le gouvernement allemand a reconnu le programme SMiLE comme projet phare (Lighthouse), signifiant que la technologie sera importante pour la conception de la mobilité future. L'équipe discute des prochaines étapes.