Présentation
Auteur(s)
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Alain GIOCOSA : Ingénieur de l’École nationale supérieure de chimie de Toulouse, Maître ès sciences - Responsable Matériaux polymères et composites, Ingénieur expert, Direction de la Recherche - Renault
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le marché automobile est un marché important pour l’industrie des matériaux. En Europe, 12 millions environ de véhicules, d’une masse moyenne de 1 000 kg sont produits annuellement, soit environ 12 milliards de kg de matériaux.
Si à ses débuts, il y a environ 100 ans, une automobile était constituée principalement de bois et d’acier, aujourd’hui elle rassemble de nombreux matériaux appartenant aux grandes familles suivantes :
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matériaux ferreux : fontes, aciers, tôles (environ 70 % de sa masse) ;
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matériaux non ferreux : aluminium (fonte et tôle), cuivreux, magnésium (environ 5 %) ;
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matériaux minéraux : verre, céramiques (environ 4 %) ;
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matériaux organiques : peintures, adhésifs, textiles, fluides, caoutchoucs, thermoplastiques et thermodurcissables renforcés ou non par des fibres (verre, carbone, aramide, naturelle) ou des charges minérales (environ 20 %).
Les matériaux organiques composites à matrices thermoplastiques ou thermodurcissables renforcées par des fibres, généralement de verre, courtes ou longues ont fait leur apparition dans l’automobile durant les années 60-70. Même s’ils sont aujourd’hui utilisés presque exclusivement pour satisfaire certaines fonctions, leur taux d’utilisation ne dépasse pas 10 à 15 % selon les véhicules.
Cet article propose de montrer :
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l’intérêt d’utiliser des matériaux composites dans la construction d’une automobile du point de vue du constructeur et de son client final et de mettre en évidence les difficultés à surmonter pour accroître leur utilisation ;
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les différents domaines d’utilisation dans l’automobile ; pour chacun d’eux seront examinés l’évolution de la quantité de composites utilisés par rapport à la courbe d’apprentissage, les grandes familles produit/mise en œuvre/mode d’assemblage, les avantages/inconvénients, les attentes particulières et les contraintes ;
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les évolutions prévisibles dans l’avenir et la problématique liée au passage d’un véhicule monomatériau (l’acier représente plus de 70 %) vers un véhicule multimatériau (l’acier devient minoritaire).
Les caractéristiques de ces matériaux ainsi que leur mise en œuvre sont décrites dans d’autres articles du présent volume AM 5.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version courante de avr. 2011 par Nicola PICCIRELLI, Alain GIOCOSA
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Domaines d’utilisation1. Pourquoi utiliser des matériaux composites dans l’automobile ?
1.1 Généralités
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A priori, de par leurs caractéristiques intrinsèques, les matériaux composites, à matrices thermoplastiques et/ou thermodurcissables, présentent trois handicaps majeurs par rapport aux matériaux métalliques pour permettre une production de pièces compatible technico-économiquement avec les cadences (1 voiture à la minute) et les séries (1 000 à 3 000 véhicules/jour) rencontrées dans l’industrie automobile, à savoir :
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un prix au kilogramme souvent plus élevé (surtout comparativement à celui de l’acier) ;
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des caractéristiques mécaniques intrinsèques plus faibles : module en flexion, résistance à la rupture, températures limites d’utilisation, etc. ;
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des procédés de mise en œuvre des pièces finies souvent lents : excepté les procédés d’injection, dont les cadences, le coût et la durée de vie des outillages sont voisins de ceux utilisés en métallurgie (2 000 à 3 000 pièces/jour), les autres procédés couramment utilisés, principalement la compression, ne permettent que des cadences faibles ou moyennes (de quelques pièces à 350-400/jour, par outillage). Dans ce cas, les outillages, bien que ne nécessitant que des investissements relativement faibles, présentent des durées de vie plus limitées.
Le tableau 1 donne un aperçu des valeurs des caractéristiques mentionnées ci-dessus.
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En contrepartie de ces inconvénients, les matériaux composites possèdent des avantages importants tels que :
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une densité faible (acier : 7,8 ; aluminium : 2,7 ; composites : entre 1 et 2) ;
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des technologies de mise en œuvre par moulage (injection, compression...) qui :
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limitent la quantité de matière engagée au juste nécessaire et compensent ainsi le coût de la matière de base au kilogramme,
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offrent la possibilité d’obtenir des formes complexes, des intégrations de fonctions et des surmoulages in situ d’éléments métalliques limitant ainsi le nombre d’outillages. L’ensemble de ces facteurs entraîne souvent des investissements faibles,
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suppriment des usinages de finition tels que découpes ou ébavurages ;
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un excellent comportement vis-à-vis...
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