Plastiques et automobile : une histoire de famille

Ces années-là...

C’est dans les années 70 que les polymères commencent à apparaitre pour le décoration des habillages intérieurs : peaux, revêtements, ébénisterie... Grâce à leur capacité de résistance à l’impact et au vieillissement, les polymères et notamment les résines thermodurcissables puis thermoplastiques s’imposent dans les années 80/90 dans les applications extérieures : phares, boucliers, ailes puis hayons… C'est dans les années 2000/2010 que les polymères apparaissent dans les pièces semi-structurelles. C’est le début des efforts des constructeurs pour alléger les véhicules et substituer les matériaux traditionnels jusque là : l’acier et l’aluminium. A l’exemple de la coque de la BMW i3 électrique qui intègre des matières plastiques renforcées de fibres de carbone (PRFC). Grâce à des méthodes de collage complètement automatisées, environ 150 éléments sont assemblés, soit un tiers de moins que dans une conception conventionnelle en tôle d’acier.

Le jeu des 7 familles

La plupart des familles de plastiques a trouvé aujourd’hui sa place dans la voiture. Tandis que la carrosserie absorbe la moitié des volumes des plastiques produits pour l’automobile, les pièces présentes dans l’habitacle (40%) et dans l’environnement moteur (10%) se partagent le reste. Les parties extérieures de la carrosserie telles que les boucliers, les ailes, le capot ou encore les hayons sont majoritairement constituées de polypropylène (PP) : grâce à ses propriétés mécaniques et à ses coûts particulièrement compétitifs, il représente à lui tout seul environ 40 % des plastiques utilisés dans l’automobile. Depuis trente ans, le polycarbonate, léger et très résistant, est utilisé pour fabriquer les optiques de phares. L’ABS, les polyuréthanes et les polyéthylènes règnent en maître dans l’habitacle. Sous le capot, le polyamide est plébiscité pour les pièces devant supporter des températures élevées.

Généralement considéré comme l'un des plus performant dans le monde, le thermoplastique PEEK qui combine des propriétés thermiques uniques avec d’excellentes propriétés mécaniques peut résister à une température de travail constante de 250°C.

en toute sécurité

En matière de sécurité, les plastiques se sont rendus indispensables. Les pare-chocs de dernière génération et les pièces à absorption d’énergie optimisent la sécurité des occupants et des piétons. Moitié plus léger en moyenne qu'un pare-chocs fabriqué à partir d'autres matériaux, un pare-chocs en plastique absorbe quatre à cinq fois plus d’énergie. Autres équipements de sécurité, les ceintures sont fabriquées en fibres polyamide ou polyester et les airbags en nylon haute résistance. Sous le capot, les plastiques contribuent aussi à préserver la sécurité des occupants. En cas d’accident, l’arbre de transmission en matériau plastique, ne risque pas de perforer le réservoir ou de pénétrer dans l’habitacle contrairement à un arbre de transmission classique.

Régime minceur !

Au cours de la décennie 2010/2020, l’utilisation accrue des plastiques dans l’automobile offre aux constructeurs des solutions pour répondre aux exigences environnementales et à la réglementation visant à réduire les émissions. Au sein de l'Union européenne, les plafonds d'émissions de CO2 par voiture passeront de 130 à 95 g/km en 2020.

Pour tenir cet objectif, les constructeurs investissent dans l'allègement des véhicules, en remplaçant le métal par des composites. Légers et résistants, les plastiques offrent en outre aux designers une grande liberté de conception. Globalement, le potentiel d'allègement d’un véhicule via les matériaux est estimé entre 200 à 300 kg. Cette démarche repose donc pour beaucoup sur la capacité d’innovation des industriels de la chimie des matériaux notamment pour les pièces structurelles du véhicule et les vitrages.

En lieu et place de l'acier dans les pièces structurelles, l'usage de composites constitue une rupture technologique avec un potentiel d’allègement pouvant aller jusqu'à 30 % du poids du véhicule. Le recours aux composites renforcés par des fibres de verre autorise la fabrication de pièces en grande série comme les hayons de coffre, le bac de roue de secours ou le fond de coffre. Pour les pièces de plus petite série, certains équipementiers font appel à des composites renforcés fibre de carbone. A ce jour, le secteur automobile reste le secteur le plus important en volume pour les composites.   Image voiture : © Renault - Montage : PlasticsEurope

Composites thermoplastiques : Tous les feux sont au verts ...

À la fois légers, résistants et recyclables, les thermoplastiques constituent une solution d’avenir. Ces derniers* présentent le même intérêt que les thermodurcissables en terme de gain de poids par rapport aux métaux, avec l’avantage d’être recyclables. Si les composites thermoplastiques ne pèsent aujourd’hui que 5 % du marché des composites, ils pourraient à terme représenter 50 %.

L’Agence Française de l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie (ADEME) ne s’y est pas trompée en soutenant dès 2012 le projet Compofast, coordonné par Arkema. Son objectif : mettre au point des composites thermoplastiques destinés à l’allègement des véhicules qui respectent les contraintes de coûts et de cadence de la production l’automobile en grande série.

Vers un moteur tout plastique ? Pour diminuer la consommation de carburant et donc les émissions de CO2 tout en temps conservant les performances du moteur, le secteur automobile a été contraint depuis plusieurs années de réduire la taille des moteurs de ses véhicules, ce qui entraîne des contraintes thermiques supplémentaires.

Pour démontrer que les polymères hautes performances peuvent remplacer efficacement les métaux, le projet Polimotor 1 & 2 mené par Solvay vise à développer un moteur qui devra d’abord faire ses preuves sur une voiture de course. Ce moteur 4‐cylindres à double arbre à cames en tête qui sera 100% plastique devrait peser de 63 à 67 kg, soit environ 40 kg de moins qu’un moteur standard actuel. Outre les composants de la pompe à huile, sept des thermoplastiques de haute performance de chez Solvay devraient remplacer jusqu’à dix composants métalliques du moteur.

* Les matières thermodurcissables ne peuvent être mises en forme qu'une seule fois contrairement aux matières thermoplastiques ; les produits finis ne pourront plus être fondus (sans dégradation) par un chauffage éventuel. Les matières thermodurcissables sont donc non recyclables.