Technologie hybride profilés creux : Fusion composite-métal pour renfort supérieur

Le surmoulage par injection a beaucoup fait l'actualité composites últimement, mais principalement dans le domaine de la création de composites hybrides. Des préimprégnés à fibres continues formés ou formes composites pré-polymérisées sont positionnés dans la cavité de moule puis encapsulés dans une pièce plus grande moulée par injection à fibres courtes de façon à fournir un renfort supplémentaire seulement où nécessaire pour éviter les pièces surdimensionnées et contrôler les coûts de production. Presque inaperçu dans cette effervescence médiatique est l'actualité autour des structures hybrides plastique/métal (PMH) — celles qui combinent sous-structures en tôle surmoulées par injection avec un composite thermoplastique.

La catégorie PMH a été récemment élargie grâce à un nouveau développement annoncé pour la première fois en Europe en mars. Appelée technologie hybride profilés creux (HPH), ce développement permet l'utilisation efficace de sous-structures métalliques tubulaires extrudées ou soudées en place de tôle estampée ou estampée-soudée pour atteindre une performance mécanique plus élevée pour composants PMH soumis à de fortes charges. La technologie HPH a fait ses débuts nord-américains les 30 avril-1 mai à la 13e Conférence Annuelle sur les Plastiques d'Ingénierie Automobile (AutoEPCON) organisée par la Society of Plastics Engineers (SPE, Bethel, CT, États-Unis) dans la banlieue de Detroit.

Structures hybrides plastique-métal « traditionnelles »

La technologie PMH a été initialement développée vers 1995 par Bayer AG (Leverkusen, Allemagne). L'équipe composites et la technologie PMH ont été scindées dans le cadre des activités Chimie et Polymères de Bayer en 2004 pour devenir LANXESS Corp. (Pittsburgh, PA, États-Unis).

Le PMH utilise une sous-structure en tôle acier ou aluminium estampée et sélectivement perforée, placée dans un outil de moulage par injection qui est, typiquement, sélectivement surmoulé (c'est-à-dire, le substrat métallique n'est pas entièrement encapsulé) avec du polyamide 6 renforcé fibres de verre (GR-PA 6). La structure hybride résultante présente le choix du concepteur de pièces fonctionnelles, incluant fixations, nervures, bosses et autres géométries en composite à l'extérieur. Les perforations, qui permettent au composite thermoplastique de s'écouler à travers et autour de la sous-structure métallique, encouragent un lien fort entre les deux matériaux et permettent à la structure résultante d'offrir le meilleur des deux mondes. C'est-à-dire, la pièce bénéficie de la haute rigidité et résistance de la tôle mince, mais elle est raidie et stabilisée par, par exemple, des nervures composites qui empêchent le métal de flamboyer. De plus, le composite apporte résistance à la corrosion, bonne finition de surface, poids réduit et consolidation et intégration fonctionnelle accrues réalisées en une seule étape, éliminant ainsi quincaillerie, fixations et opérations secondaires. Et comme la matrice est PA 6, elle offre aussi une bonne et large résistance chimique plus une excellente ténacité (résistance à l'impact).

Les structures PMH sont plus légères et ont beaucoup moins de pièces (produites en beaucoup moins d'étapes) que des structures en tôle comparables avec la même fonctionnalité, mais elles ont des propriétés mécaniques plus élevées qu'un composite thermoplastique à fibres discontinues seul. C'est particulièrement utile quand l'espace est limité et que des sections à parois épaisses sont indésirables. La capacité de réduire grandement le nombre de pièces et étapes de production réduit non seulement le coût et l'emprise de fabrication, mais réduit aussi les coûts d'inventaire et de garantie. Et comme sa matrice est un thermoplastique, la structure hybride peut être séparée et recyclée en fin de vie du véhicule.

Grâce à sa recyclabilité et avantages performance, la technologie PMH est utilisée depuis des années pour produire une variété de composants automobiles, des grands ensembles comme modules avant et poutres de pare-chocs aux composants sous capot. Elle a aussi été utilisée dans des applications non-automobiles, comme patins à roulettes, et composants sur scooters et petites voitures tout-terrain.

Structures tubulaires

Comme pour toute technologie, le PMH a quelques inconvénients. Premièrement, l'amortissement des coûts d'outillage métal et plastique (les deux types sont nécessaires avec cette technique) nécessite probablement une application à des programmes véhicules de volume moyen à élevé. C'est trop coûteux pour la production de niche sauf si les coûts d'outillage peuvent être partagés avec des modèles similaires sur la même plateforme. Deuxièmement, tel qu'appliqué conventionnellement, la technologie PMH est mieux utilisée avec des sous-structures en tôle simples 2D ou 2,5D, ex: sections en L, en C ou plates. Cependant, ces structures manquent souvent de résistance torsionnelle suffisante pour rencontrer certains exigences haute performance. Aussi, il n'est pas possible de faire des structures tubulaires/à forme fermée (pensez section O et autres sections transversales tubulaires ou carrées) via PMH parce qu'un profilé fermé s'effondrerait sous les hautes pressions du moulage par injection.

« L'idée pour les structures hybrides profilés creux a évolué d'une liste d'applications structurelles automobiles à forte charge, où il était hautement souhaitable de réduire la masse et ajouter l'intégration fonctionnelle, mais où la technologie PMH actuelle n'était pas assez forte pour rencontrer les exigences de performance », explique Joseph Aiello, ingénieur développement applications structurelles chez LANXESS. Il cite la poutre transversale de caisse (cross-car beam) comme composant HPH théoriquement idéal, car elle est lourde et contient une multitude de fixations et autres attaches en métal. Les poutres transversales sont utilisées sur chaque véhicule passager pour fournir la rigidité torsionnelle au châssis. Elles fournissent aussi des points d'attache pour composants pénétrant du compartiment moteur vers l'habitacle (ex: volants) et pour composants s'attachant depuis des points devant le pare-feu et projetant dans la cabine passager (ex: tableaux de bord et consoles centrales). Le travail antérieur appliquant la technologie PMH à une poutre transversale manquait de performance mécanique suffisante car l'effort se centrait sur une tentative de créer les sous-structures métalliques tubulaires (forme fermée) pour la poutre en soudant deux structures PMH ouvertes en L ensemble après leur surmoulage. « Puisqu'une structure à forme fermée est bien connue en ingénierie pour être plus forte qu'une structure ouverte, un endroit logique pour commencer à augmenter la performance mécanique des hybrides plastique-métal était de trouver un moyen d'appliquer la technologie à des poutres ou tubes creux avec sections transversales rondes ou rectangulaires », ajoute Aiello.

Le défi, comme toujours, était d'atteindre un lien haute résistance entre la sous-structure métallique et tout composant fonctionnel composite surmoulé dessus — caractéristique particulièrement importante pour composants critiques structure comme poutres transversales. Initialement, l'équipe a travaillé sur une technologie adaptée au surmoulage de tubes standards sans besoin d'équipement spécial. La question est devenue comment déformer sélectivement le tube — créer des alvéoles ou dépressions — dans la machine de moulage par injection qui assureraient un bon emboîtement entre le tube métallique et la matrice, et ainsi atteindre une haute résistance de liaison entre la sous-structure métallique et le composite surmoulé sans causer l'effondrement du tube aux hautes pressions typiquement vues pendant le cycle de moulage. Après beaucoup d'études, la même équipe LANXESS qui a initialement développé la technologie PMH a aussi développé le procédé HPH.

Fondamentalement, HPH utilise des « éléments structurels » en PA 6 hautement chargé fibres de verre, à haute fluidité — tubes pleins moulés par injection avec nervures/ailerons spécialement conçus projetant vers l'extérieur — qui sont placés dans le centre creux d'un tube acier ou aluminium qui est, à son tour, inséré dans une machine de moulage par injection et surmoulé avec du composite GR-PA 6 additionnel pour former fixations externes et autres composants fonctionnels. Les éléments structurels — insérés dans un tube avant que ce tube ne soit placé dans la presse pour surmoulage — empêchent l'effondrement du tube pendant le moulage et aident à former/déformer le tube via un processus appelé perlage ou alvéolage (beading or dimpling), pendant le processus de moulage sous haute pression, assurant ainsi un lien fort entre matériaux métallique et composite. Cet élément interne reste dans le tube pour ajouter du support structurel.

LANXESS rapporte que les éléments internes nervurés/à ailerons peuvent même être conçus pour être utilisés avec tubes acier ou aluminium perforés. Ceux-ci fonctionnent comme les perforations utilisées dans la technologie PMH conventionnelle.

Pour éliminer le besoin d'un second moule, cet outil peut être conçu pour inclure de l'espace dans une cavité latérale pour mouler des éléments structurels pour tubes à utiliser au coup suivant pendant qu'il surmoule un tube donné renforcé avec éléments structurels. Et tout le processus peut être entièrement automatisé, si désiré.

Comparées aux structures PMH conventionnelles, avec sous-structures estampées ou estampées-soudées, les structures HPH offrent une rigidité et résistance torsionnelle plus élevées et une meilleure stabilité dimensionnelle à section transversale, masse et épaisseur comparables, tout en fournissant encore tous les avantages classiques du procédé PMH original de LANXESS.

Quelle suite ?

Applications cibles HPH incluent structures hybrides composite/métal avec exigences mécaniques élevées incluant non seulement poutres transversales mais aussi châssis de sièges auto, modules avant, hayons camion et supports de rétroviseurs. Hors automobile, cela pourrait produire meubles, échelles ou même poussettes. Trop nouveau pour avoir des applications commerciales établies, HPH fait partie de nombreux projets de développement en cours et LANXESS dit qu'il continue d'évaluer les opportunités, et rapporte qu'il travaille encore sur certaines libérations technologiques pour compléter sa demande de brevet, qui sera soumise plus tard cette année.

Qu'est-ce qui pourrait être next pour HPH ? LANXESS dit aussi qu'il a précédemment fait de la recherche PMH utilisant matrices PA 6/6 et polybutylène téréphtalate (PBT) et renfort fibre de carbone, et a même évalué sous-structures magnésium, bien que la vaste majorité des applications commerciales restent en GR-PA 6 avec niveaux de chargement verre de 30-60 %. Théoriquement les mêmes combinaisons matériaux pourraient être utilisées pour HPH, bien que le focus de l'équipe reste sur GR-PA 6 60 %. Si renfort fibre de carbone était utilisé, les sous-structures métalliques devraient être isolées (probablement via un revêtement) pour prévenir la corrosion galvanique. Ou, pour applications moins structurelles, il devrait être possible d'utiliser un tube extrudé ou pultrudé à partir d'un plastique ou composite.