Révolutionner le design de toit ouvrant avec rails guides composites thermoplastiques

Une équipe en France menée par Webasto SC aux Châtelliers-Châteaumur a développé un module de toit ouvrant vitré fixe à store enrouleur novateur qui, pour la première fois, utilise des rails guides composites thermoplastiques pour remplacer les rails aluminium conventionnels. Commercialisé pour la première fois sur plusieurs véhicules multi-usages (MPV) produits par Groupe Renault (Boulogne-Billancourt), le changement économise poids, coût et outillage, élimine quincaillerie et étapes de traitement multiples, simplifie l'installation ligne assemblage, réduit bruit fonctionnement et libère 13 mm de garde au toit supplémentaire entre occupants et panneau vitré du toit ouvrant.

Assemblage toit ouvrant conventionnel

L'industrie auto a historiquement utilisé rails aluminium pour connecter le module store enrouleur d'un toit ouvrant à la structure de caisse en blanc (BIW), surtout pour grands systèmes vitrés fixes panoramiques s'étendant quasi toute la longueur/largeur du toit. Ces rails guides, montés côtés conducteur/passager, font double usage sur systèmes store enrouleur car ils forment la surface de glissement le long de laquelle le store motorisé voyage quand l'ombre s'enroule pour laisser plus de lumière dans l'habitacle, ou se déploie pour la réduire. Contrairement aux pare-soleil rigides courants en Amérique du Nord, quand rétractés les stores enrouleurs prennent peu d'espace sous plafonniers où ils ne sont pas vus par occupants, tout en fournissant même isolation thermique du soleil et acoustique du vent/pluie que pare-soleil rigides.

Le processus fabrication conventionnel pour rails aluminium commence par profilé aluminium section constante et requiert un processus multi-étapes fraisage-finition intensif main-d'œuvre pour obtenir la forme complexe du rail :

• coupe à longueur,
• formage petits plis via estampage et poinçonnage,
• façonnage courbes,
• usinage/fraisage formes complexes impossibles via outils estampage (requiert un jeu outils/opération et un contrôle qualité après chaque étape),
• anodisation rail noir ou couleur naturelle,
• et assemblage clips câbles électriques, clips câbles spirale, goupilles centrage/positionnement et écrous.

Chaque marque/modèle véhicule utilise forme/longueur rail légèrement différente, donc fabricants toits ouvrants doivent produire/stocker inventaire significatif pendant production d'un module donné. Et quand nouveau modèle ajouté, tout nouvel outillage requis sauf si véhicule partage pièces communes avec module toit ouvrant modèle existant.

Les rails guides aluminium ne sont pas seulement intensifs main-d'œuvre en production chez fabricant toit ouvrant, mais aussi pendant installation usine assemblage véhicule. Conventionnellement, rails sont fixés manuellement via vis au BIW. Puis module toit ouvrant passe par baie pare-brise et chargé par le bas dans ouverture toit où opérateur le fixe aux rails récemment installés. Enfin, le toit vitré est collé, via adhésif structurel, au sommet de la voiture, scellant module toit ouvrant et habitacle.

Bien que rails aluminium représentent technologie connue, établie, ils ont inconvénients. L'aluminium est matière première coûteuse et plus difficile que l'acier à plier en formes complexes. Pour protéger l'environnement, élimination produits chimiques anodisation anti-corrosion est coût additionnel significatif. Comme détaillé, le processus fabrication est long, compliqué et coûts outillage élevés. Aussi, efforts augmenter fonctionnalité requièrent quincaillerie additionnelle via étapes assemblage additionnelles.

Nouveau concept rail

Basé sur autres conversions réussies de cadres toit ouvrant aluminium vers composites sur systèmes vitré mobile bien plus petits, une équipe Webasto a décidé d'étudier si les rails latéraux bien plus grands sur systèmes store enrouleur pouvaient aussi être convertis en composite. (Poutres transversales avant/arrière déjà converties en composite – typiquement polypropylène renforcé fibre verre (GR-PP) – sur tels systèmes.) Objectif : ajouter fonctionnalité, réduire étapes fabrication, nombre pièces, coût et poids, tout en rencontrant exigences performance OEM.

L'équipe a commencé par étudier fonctionnalité rails et conditions opérationnelles et a identifié la caractéristique la plus critique comme leur capacité à faciliter mouvement fluide du store motorisé avec même force avant-arrière et gauche-droite le long du chemin. Pour cela, rails requièrent géométrie précise et section constante sur toute leur longueur, pouvant dépasser un mètre. De plus, rails doivent être suffisamment structurels pour connexion sûre aux autres composants toit ouvrant/module, incluant poutres transversales avant/arrière et structure toit, mécanisme moteur, verre toit et plafonnier. Pour rencontrer exigences OEM, le store motorisé doit opérer à faibles niveaux bruit glissement pour réduire bruit/vibration/dureté (NVH) habitacle.

Un scan des composites auto couramment utilisés a rapidement éliminé ceux à matrices thermodurcissables et favorisé thermoplastiques. Comparé aux composites thermoplastiques, ceux mouillés thermodurcissables tendent à être plus denses, avoir cycles moulage plus lents et requérir plus finition post-moulage. De plus, thermoplastiques refondables offrent option assemblage sans adhésif/fixateur entre rails haut/bas et simplifient enormément recyclage fin de vie. En plus, thermodurcissables introduisaient inquiétude brouillard possible et émissions COV, strictement réglementées pour intérieurs véhicules dans UE.

Vu exigences OEM contrôle dimensionnel extrêmement serré – particulièrement éviter gauchissement qui impedirait fonctionnement fluide store – polyamide, polypropylène (PP) et polyesters thermoplastiques éliminés. Comme rails aluminium requièrent graisse pour fonctionnement fluide store, et ingénieurs Webasto n'étaient pas sûrs si lubrifiant nécessaire sur rails composites, polycarbonate éliminé pour mauvaise résistance chimique et tendance fissuration contrainte. Acrylonitrile butadiène styrène (ABS) rejeté pour exigences thermiques 110 °C du toit ouvrant.

L'équipe Webasto avait précédemment utilisé styrène maleic anhydride/ABS renforcé fibre verre (GR-SMA/ABS) pour cadre toit ouvrant vitré mobile, donc a focalisé sur ce matériau, utilisé dans l'auto depuis décennies pour substrats planche de bord. GR-SMA/ABS est faible densité, rigide et résistant, très faible gauchissement et faible déformation sur large plage températures/humidité. Comme amorphe, pas de souci cristallisation/retrait post-moulage. De plus, retraitable par fusion, soude bien et son composant anhydride maleic assure haute résistance liaison à variété substrats, incluant adhésif structurel polyuréthane joignant verre toit au module toit ouvrant.

Webasto s'est tourné vers son fournisseur résine GR-SMA/ABS Polyscope Polymers BV (Geleen, Pays-Bas) pour suggérer grades adaptés. Polyscope a fourni deux possibilités – 15%-GR XIRAN SGH30EB et 30%-GR XIRAN SGH60EB – testées ensuite en labo petite échelle chez Webasto. Le grade 30%-GR plus rigide, mais son module E plus haut non requis pour fonctionnement fluide store. Tests indiquaient grade 15%-GR rencontrerait objectifs propriétés mécaniques, donc équipe a opté pour ce matériau, non seulement pour rails gauche/droite mais aussi poutre transversale avant. L'arrière restait en GR-PP.

La décision suivante : quel processus pour produire rails ? Initialement, extrusion profil considéré car peut produire formes creuses/pleines, et fonctionnellement ressemble processus production profils aluminium. C'est aussi processus continu, assez rapide pour exigences production, coûts outillage relativement bas. Malheureusement, chercheurs inquiets que extrusion ne produirait pas surfaces intérieures assez lisses depuis résines fibres renforcées pour permettre store mouvement fluide/silencieux le long rail. Aussi, processus limiterait capacité changer géométrie profil lungo rail pour incorporer plus intégration fonctionnelle sans ajouter quincaillerie (ex: goupilles/clips additionnels) pendant étapes post-traitement.

L'autre processus considéré : moulage par injection, qui peut produire structures 3D très complexes avec finitions lisses et haute esthétique rapidement, précisément et avec excellente répétabilité/reproductibilité (R&R). De plus, permet trous, découpes, clips pression et même clips moulés, réduisant finition secondaire.

Pour application cible, inconvénient : moulage injection ne peut produire structure creuse en une étape (nécessitant chaque rail moulé en deux pièces puis jointes). Aussi, outillage peut être coûteux.

L'équipe a choisi moulage injection avec objectif incorporer multiples pièces dans outillage famille pour réduire coûts outillage.

Validation concept

Avec concept base prometteur, équipe développement s'est élargie pour inclure OEM Groupe Renault et mouleur ARRK-Shapers (La Séginière, France). Objectif : concevoir système rails composites pour module toit ouvrant vitré fixe store enrouleur sur Renault Scenic 2016 (5 places) et Grand Scenic (7 places) MPV. Équipe a décidé concevoir chaque rail pour inclure haut niveau intégration fonctionnelle, avoir symétrie miroir entre rails gauche/droite et design accommodant modèles standard (berline/5 places) et long (break/7 places). Aspects du design couverts par trois brevets.

Pour coûts outillage gérables, équipe a optimisé design moule pour permettre production en un cycle des parties haute/basique rails gauche/droite, poutre avant, plus trois pièces interface collage connectant à poutre arrière GR-PP (moulée séparément). Autre économie : utilisation par ARRK-Shapers de blocs modulaires (insérés/retires pour versions rails long/court) plutôt que coulisses outillage coûteuses. Pour mouler les 8 composants GR-SMA/ABS dans grand outillage famille, presse injection force serrage 1 500 kN nécessaire. Soudage ultrasons sélectionné pour joindre rails haut/bas, et gabarit assemblage spécial conçu/construit.

Phase prototypage/tests a permis équipe finaliser design rails, anticiper défis production et assurer pièces passeraient tests validation Renault, incluant :

• Test durabilité 10 000 cycles vie.
• Test vibration tri-axial plage -20 °C à 110 °C à 95% HR.
• Cyclage température 85 °C à -20 °C à 50 °C à 95% HR à 110 °C.
• Résistance pelage et cisaillement après collage adhésif.
• Test bruit conduite Renault pour NVH.
• Test « tire-bouchon » renversement.
• Vitesse fonctionnement store enrouleur ≥ 75 mm/sec à 23 °C après chaque test.

« L'idée de convertir rails guides aluminium extrudés en solution plastique sur module store enrouleur toit ouvrant est une idée Webasto brevetée depuis longtemps », explique Jacques Vivien, Webasto R&D, design to cost, expert industriel. « Cependant, jusqu'à récemment, aucun plastique ingénierie n'atteignait les exigences rudes de cette fonction. » Il rappelle que le candidat plastique devait remplir exigences précision dimensionnelle ; stabilité dans le temps, résistance température/humidité ; retenir rigidité et capacité glissement ; excellente collabilité ; et tout ça en restant coût-compétitif. « Nous étions très satisfaits de la sélection de XIRAN SGH30EB de Polyscope, qui a fait du projet un succès complet pour tous. »

Dépasser les attentes

Avec plus de deux ans de fabrication et vente, les rails guides composites performent comme prévu et nombreux bénéfices vus aux niveaux fournisseur, OEM et client. Par exemple, l'outillage malin d'ARRK-Shapers a coupé coûts significatifs du programme. L'utilisation par Webasto d'un design avec intégration fonctionnelle significativement plus grande que l'assemblage aluminium legacy, et le choix moulage injection pour créer structures complexes en un tir a éliminé quincaillerie et finition post-moulage, réduisant aussi coût. Production rails seule réduite de 7 étapes à 2.

À l'usine assemblage Renault, le nouveau système toit ouvrant, incluant store, arrive entièrement assemblé et pré-testé comme unité monobloc qui est collée robotiquement au toit, éliminant 2-3 étapes assemblage et permettant réaffectation opérateur, réduisant coût et temps davantage. Reportedly, réduction coût système initial ~20%, mais nouveau module a moins pièces, attendu réduire coûts garantie long-terme indiqué par défauts PPM plus bas et qualité plus haute chez Renault. Autre bénéfice nouveaux rails composites : réduction empilement élément Z >13 mm car module entier collé adhésivement directement au BIW au lieu processus conventionnel 2-3 étapes où rails vissés au BIW puis module fixé aux rails. Cela donne non plus espace travail ligne assemblage pour ouvriers, mais aussi plus garde au toit pour occupants grands. Autre amélioration subtile : NVH réduit pendant fonctionnement store pour ouvrir/fermer grande ouverture jour sur les deux modèles. Comme aluminium, rails composites sont fully recyclables, mais moins énergie nécessaire pour les produire initialement et recycler fin vie véhicule, ce qui, arguablement, les rend aussi meilleurs pour environnement. (Intéressant, équipe a aussi découvert qu'aucun lubrifiant n'était nécessaire sur rails composites pour fonctionnement fiable store.)

« Quand Jacques Vivien de Webasto France m'a dit qu'il considérait remplacer rails guides aluminium par composite SMA sur module store enrouleur toit ouvrant, je pensais que ce pourrait être un défi, mais valait la peine tenter », note Henri-Paul Benichou, responsable ventes et développement business Polyscope. « Cette application innovante s'est avérée succès technique et industriel, apportant nombreux bénéfices pour fournisseurs, Renault et clients Renault. »