Les plastiques, un atout de poids pour l'automobile

Nouveau régime pour l'automobile

Levons tout de suite un malentendu. Les autos actuelles ne sont pas plus légères que leurs aînées. La plupart, au contraire, sont en surpoids. Imaginez que la très gaullienne DS de Citroën pesait à peine 1350 kg, alors qu’une berline actuelle de même catégorie, accuse souvent une demi-tonne de plus… Telle est la rançon de notre boulimie d’équipements dédiés au confort et à la sécurité. Si, dans le même temps, la consommation a été réduite, le mérite en revient surtout aux motoristes.

Mais cette époque est révolue. Limitées à 130 g/km par les règles européennes, les émissions de CO2 des véhicules seront bridées à 95 g/km, à partir de 2020. Pour les constructeurs, l’équation est simple : 10 kg = 1 g de CO2/km ou 4 cl de carburant/100 km. Dans ces conditions, le rôle des plastiques n’est plus seulement de refréner l’obésité des véhicules mais de les alléger. 
Le groupe PSA, par exemple, est parvenu à réduire sérieusement le poids de ses modèles récents grâce à un régime à base d’aluminium, de plastiques et de composites concocté avec les équipementiers… Résultat un gain de 140 kg sur la C4 Picasso et de 195 kg sur le modèle écolo-sportif, Peugeot 208 Hybrid FE.

Les composites en renfort

Depuis que BMW a lancé sa citadine électrique i3, dotée d’un habitacle en composites à matrice polymère, tous les grands constructeurs misent sur ces matériaux prometteurs en termes de performances et d'allègement. Leur utilisation à grande échelle étaient jusqu’alors limitées aux pièces d’aspect, non structurelles, à cause des limites de résistance mécanique et, surtout, des coûts de production. 
Le remplacement de la fibre de verre par la fibre de carbone, beaucoup plus chère, a permis de lever le premier verrou mais pas le second. 
Problème en effet, les techniques de fabrication en grande série ne sont pas compatibles avec les composites de haute performance, à l’exception du procédé RTM (injection par transfert de résine)… À condition toutefois de réduire le temps de cuisson de la résine, celui de la polymérisation et celui de l’imprégnation de pièces, proportionnel à la taille de la pièce.

Dans son usine dédiée, BMW est parvenu à passer de trente minutes à 10 minutes pour des pièces de grande dimension avec son procédé RTM haute pression… La structure du module de base en composite se compose ainsi d’environ 150 éléments soit le tiers des pièces réunies lors de l’assemblage d’une carrosserie en tôle d’acier

Priorités aux thermoplastiques

Tous les constructeurs ne peuvent pas se doter d’une unité de fabrication dédiée à la production de berlines haut-de-gamme à carrosserie «composite». D’où la nécessité, pour eux, de maîtriser les coûts, en s’appuyant sur des pièces conçues pour leur chaîne de fabrication.
Dans cette optique, beaucoup d’équipementiers s’orientent vers  les composites à matrice thermoplastique, jugés mieux adaptés que les thermodurcissables à leur outil industriel... Et, qui plus est, recyclables plus facilement. 
Faurecia, par exemple, fabrique depuis 2014 un plancher modulaire en composite à matrice polyamide avec renfort en fibre de verre réalisé par thermo-estampage. Plus léger d’un tiers que l’acier mais tout aussi résistant, ce matériau permet, en plus, de souder ou de surmouler les pièces.

Plastic Omnium, pour sa part, a conçu pour Hyundai une poutre de pare-chocs en composite mixte - fibres de verre et carbone - et résine thermoplastique plus légère de 43% que son équivalent acier. Il s’apprête désormais à lancer des pièces de structure en matériau composite à base de fibres de carbone recyclées pour un grand constructeur automobile européen

Pense-bête sur les animaux

Un matériau composite est constitué d'une ossature appelée renfort (qui est généralement constituée de fibres) qui assure la tenue mécanique et d'un liant appelé matrice qui est la plupart du temps une matière plastique (résine thermoplastique ou thermodurcissable) assurant la cohésion de la structure et la transmission des efforts vers le renfort.

Les polymères thermoplastiques se ramollissent d'une façon répétée à partir d’une certaine température (entre 120 et 350° C suivant les plastiques) et durcissent en-deçà, ce qui permet de les mettre en forme et donc aussi de les recycler ;

Les polymères thermodurcissables utilisés notamment dans les colles et les vernis durcissent de façon irréversible, sous l’action de la chaleur ou en présence de réactifs. Ils ne peuvent être mises en forme qu'une seule fois et sont donc non recyclables;

Quelques mots techniques

La photopolymérisation est la réaction chimique qui permet la formation de matières plastiques à partir de molécules initiales sous l'effet d'ondes lumineuses (UV).

Le rotomoulage ou moulage par rotation est un procédé de mise en forme d'objets creux en matières plastiques. Le polymère est chargé sous forme de poudre dans un moule qui est chauffé et soumis à une double rotation suivant deux axes orthogonaux avant refroidissement et démoulage du produit.

Le thermo-estampage est un procédé de transformation utilisé pour la mise en forme et la découpe de plaques ou des membranes composite pré-imprégnés.  Elles sont préchauffées à une température variable selon la résine avant d'être pressées entre les deux blocs de la matrice correspondant au produit à fabriquer.

L'impression 3D accélère la cadence

Le remplacement du métal par les composites dans la fabrication en grandes série est un formidable défi industriel que la société Mäder, spécialiste des peintures industrielles et des résines, est en passe de relever. 
En quête d’une solution souple et performante adaptée aux attentes des équipementiers, elle a mis au point une technologie d'impression 3D par photopolymérisation. Elle permet de produire des pièces composites à une cadence rapide à partir d’une résine polyester susceptible d’être photo-polymérisée, non seulement en surface mais aussi en profondeur.
Ce procédé de « moulage linéaire automatisé » consiste à pulvériser la résine et les fibres dans un moule puis à les polymériser par des UV de LEDS. Le temps de cycle avoisinerait une pièce à la minute alors qu’avec le précédent procédé SMC (Sheet Molding Compound), il faut compter 5 minutes pour la compression et la polymérisation à 150C°.

Chose incroyable, cette cadence élevée repose sur un process qui consomme 5000 fois moins d’énergie, sans émettre de Composés organiques volatils (COV). Pour les constructeurs et les équipementiers, plus qu’une aubaine, c’est l’aube d’une révolution.