Les composites dans l'industrie automobile

A l'occasion des cahiers mensuels, la rédaction de la veille actualité vous propose de découvrir les nouveaux articles des bases documentaires.
Si à ses débuts, il y a plus d'une centaine d'années, une automobile était constituée principalement de bois et d'acier, aujourd'hui elle rassemble de nombreux matériaux appartenant aux grandes familles suivantes :
matériaux ferreux : fontes, aciers, tôles (environ 62 % de sa masse) ;
matériaux non ferreux : aluminium (fonte et tôle), cuivreux, magnésium (environ 9 %) ;
matériaux minéraux : verre, céramique (environ 4 %) ;
matériaux organiques : environ 25 %, répartis en moyenne de la manière suivante : 4 % : élastomères, 6 % : peintures, adhésifs, textiles, fluides, 15 % : matériaux plastiques, thermoplastiques (TP) ou thermodurcissables (TD).
Selon les véhicules, ces 15 % peuvent varier de 10 à 20 % et se répartir dans les différentes fonctions constitutives d'un véhicule de la manière suivante :
équipement intérieur ou habitacle : 50 %,
applications extérieures : 30 à 35 %,
pièces sous capot : 15 %,
pièces de structure : 0 à 5 %.
À noter que le pourcentage d'utilisation des matériaux plastiques n'a cessé de croître depuis le milieu des années 50/60, il était de 6 % dans les années 60/70.
Aujourd'hui, en moyenne 15 % pour un véhicule moyen de 1 300 kg, cela représente environ 200 kg / véhicule de « matériaux plastique ».
Cette évolution est due au fait que le choix d'un matériau donné pour une application donnée oblige à une confrontation de solutions afin de rechercher le meilleur couple matériau/procédé de fabrication d'une pièce en tenant compte de nombreux critères : des critères techniques et industriels liés à la capacité et à la disponibilité des moyens industriels, des critères économiques liés au coût des matériaux et aux coûts de production et enfin des critères sociaux guidant les orientations des choix du client final.
Les matériaux composites sont apparus dans l'industrie automobile au milieu des années 1950. À cette époque, les matériaux et les procédés de transformation étaient peu nombreux : essentiellement des matrices polyesters thermodurcissables renforcées par des fibres de verre courtes, mises en œuvre manuellement dans des moules ouverts ou fermés suivant le procédé SMC (Sheet Moulding Compound).
Actuellement, de nombreux matériaux et procédés de transformation sont à la disposition des concepteurs.
Les matrices peuvent être thermoplastiques (polypropylène, polyamide, polyuréthanne,....) ou thermodurcissables (polyester, vinylester, époxy, polydicyclopentadiène,....).
Les fibres de renforcement peuvent être en verre, aramide, carbone, thermoplastique, voire végétales, utilisées sous forme coupée courte ou longue, continue, tissée, tressée, tricotée......
Selon le type de matrices utilisées, TP ou TD, les procédés de mise en œuvre sont très variés :
injection (RTM – Resin Transfer Moulding, BMC-Bulk Moulding Compound, RIM – Reaction Injection Moulding) ;
compression et formage (SMC – Sheet Moulding Compound, GMT – Glass Mat Thermoplastic, TRE – Thermoplastique Renforcé Estampable) ;
pultrusion ;
enroulement filamentaire ;
infusion sous vide.
Les procédés en moules fermés et l'utilisation de résines contenant peu de styrène sont aujourd'hui privilégiés afin de réduire les émissions de composés volatils dans les ateliers (pour le styrène la limite maximale est de 20-200 ppm, voire 20-25 ppm dans certains pays).

Matériaux éco-conçus : une solution pour l'environnement ?

L'éco-conception alongtemps faire figure, à l'instar des produits "bio" ou des produits recyclables, d'un effet de mode sans réel impact. Ce n'est plus le cas aujourd'hui, et l'innovation dans ces secteurs offre de réelles perspectives en termes de marché. Explications.
Le cycle de vie des produits est aujourd'hui un réel enjeu pour les fabriquants, et une valeur ajoutée du produit à part entière.
Un produit éco-conçu est un produit pour lequel le bilan écologique global ou l'impact sur l'environnement et sur la santé humaine est positif sur l'ensemble du cycle de vie, pour une même utilisation, avec des coûts maîtrisés et un degré comparable de satisfaction pour le consommateur. L'éco-conception suppose donc une démarche globale qui intègre le respect de l'environnement dans la conception même des produits ou des services, de l'extraction des matières premières au traitement des déchets.
Les décisions politiques, comme la RT 2012, et la pression "écologique" populaire, entraine les fabricants à se tourner vers l'éco-conception de leur produit, et pas uniquement pour des raisons d'image. Ainsi, la mise en place de la RT2012, qui consacre l'approche thermique globale et non plus élément par élément, est une incitation supplémentaire pour les fabricants à se tourner vers ces types de conception.
Enfin, sur le plus long terme, les pouvoirs publics vont légiférer dans le sens d'une réduction du contenu en carbone généré tout au long du cycle de vie du bâtiment, et plus largement les impacts énergétiques, environnementaux et sanitaires des composants du bâtiment et des méthodes de construction et de conception.
Les produits éco-conçus devraont donc, dans les années à venir, relever trois défis :
Développer des matériaux toujours plus performants sans pour autant augmenter la masse de matière utilisée ;
ACV : prévoir dès la conception la fin de vie des matériaux et produits ;
Assurer la durabilité des matériaux tout préservant moins nocifs pour l'environnement.
Les défis résident donc dans le choix de matériaux les plus neutres possibles pour l'environnement, mais également plus performants que ceux utilisés actuellement. L'intégration des ACV, en amont et en aval, ce qui est en soi révolutionnaire, change du tout au tout la réflexion autour de la conception d'un produit.
On comprend que le choix des matériaux devient un enjeu crucial, et entre dans la prise en compte de nouveaux défis pour les fabriquants : des objectifs d'éco-conception pour réduire les quantités d'énergie et de matières utilisées, des utilisations plus extensives de matériaux recyclés ou d'origine renouvelable (les démarches sur le béton vert illustrent cette tendance).
De plus en plus de fabricants mettent en place des filières de démontage et de recyclage, ce qui illustre bien cette tendance. Le marché est réel, et le potentiel de retour sur investissement souvent sous-évalué.
L'impact sur la santé, enjeu fondamental
Prenons l'exemple du domaine du bâtiment : La qualité sanitaire des bâtiments, en particulier, la qualité de l'air et de l'eau, sont des enjeux majeurs. Il faut, d'une part, assurer aux habitants des futurs logements construits une qualité de l'air et une santé préservée sur le long terme. Mais il faut également préserver la santé des ouvriers qui appliquent ces produits. Ces deux notions, qui paraissent incontournables aujourd'hui, paraissaient optionnelles il n'y a pas si longtemps.
C'est d'ailleurs pour cela que les réglementations concernant certains produits se développent : un nouveau décret n° 2011-321 a été publié en Mars 2011, relatif à l'étiquetage des produits de construction, de revêtement de murs et de sols, des peintures et vernis sur leurs émissions de polluants volatils. Son entrée en application le 1er janvier 2012 concerne tous les nouveaux produits et à partir du 1er septembre 2013, elle concernera des produits déjà présents sur le marché.
Par exemple, les industriels de la peinture, de vernis, les fabricants de revêtements ont réduit les émissions de Composés Organiques Volatils (COV) de leurs produits pour se mettre en conformité avec les exigences réglementaires depuis le 1er janvier 2010. Les autres secteurs vont suivre.
Par Pierre Thouverez

Optimiser l'aérodynamique des poids lourds en modifiant leur soubassement

La forme et les dimensions des véhicules de transport de marchandises obéissent à des contraintes juridiques importantes. Peu optimisé, leur profil aérodynamique est responsable d'une augmentation de la consommation en carburant. Toute modification externe des poids lourds en faveur de l'aérodynamique doit être compatible avec les réglementations de circulation.
Des chercheurs de l'Institut d'aérodynamique et de mécanique des fluides (IAS) du Centre allemand de recherche aérospatiale (DLR) de Göttingen (Basse-Saxe) développent des solutions aérodynamiques en modifiant le soubassement des poids lourds. "En raison de la différence de pression à l'avant et à l'arrière du camion, apparaît une force inverse au sens de circulation avec un effet d'aspiration", explique Johannes Haff, chercheur à l'IAS. "En modifiant le soubassement par un élargissement de sa section arrière, de manière analogue à un diffuseur, la pression derrière sur le transporteur pourrait être augmentée grâce à la génération de tourbillons dans la direction de l'écoulement, avec pour conséquence la réduction de l'effet d'aspiration", poursuit-il.
Ces éléments d'amélioration ont déjà été testés avec succès en soufflerie. Afin de les confirmer, les chercheurs du DLR ont réalisé, de nuit, des essais sur route en combinant des capteurs de pression sur la paroi arrière du camion à la technique de vélocimétrie par images de particules (PIV). A cet effet, un système de laser, des appareils de mesure, des ordinateurs ainsi qu'un générateur de fumée ont été embarqués à bord d'un poids lourd de 40 tonnes. Des caméras CCD haute résolution ont été fixées à l'arrière du camion. Ce dernier a parcouru la piste d'essais à différentes vitesses, recueillant des séries de données actuellement en cours d'exploitation.
(Source : Bulletins Electroniques)

Nitruration et nitrocarburation - Procédés et pratiques industrielles

Nitruration et nitrocarburation, dont les mécanismes sont décrits en [M 1 224] et [M 1 223], sont des traitements thermochimiques, d’apport d’azote par combinaison-diffusion dans le cas de la nitruration, et d’apport d’azote et carbone dans le cas de la nitrocarburation. Ces procédés recouvrent une famille de traitements, qui diffèrent selon leurs conditions de mise en œuvre et la composition du milieu qui peut s’enrichir d’éléments complémentaires comme le soufre et l’oxygène. Pour des températures inférieures à 590 °C, les réactions de combinaison et diffusion sont réalisées dans le domaine ferritique des alliages fer-carbone non austénitiques et les procédés sont classés comme tels ; au-delà de 590 °C, commence le domaine d’existence de l’austénite dans le système fer-azote, la nitruration est dite austénitique ou ferrito-austénitique.
Le durcissement de la couche traitée est obtenu par transformation in situ lors de la diffusion et, de ce fait, aucun traitement complémentaire n’est nécessaire. Le processus de nitruration fait intervenir deux mécanismes : un mécanisme de combinaison (ou conversion) qui a fait et fait encore l’objet de nombreuses études fondamentales [M 1 224], puis un mécanisme de diffusion et durcissement par précipitation dans le substrat le plus souvent alimenté par la couche de combinaison [M 1 223].
Dans ce premier article, sont décrits les différents procédés industriels et leurs pratiques industrielles. Dans un second article [M 1 228], l’application aux différentes nuances d’aciers et les différentes propriétés d’emploi des pièces nitrurées ou nitrocarburées sont examinées.

Un projet espagnol pour réduire le bruit des éoliennes

L'Agence d'Etat de Météorologie (AEMET) s'est alliée avec l'entreprise Ingeneria para el Control del Ruido (Ingénierie pour le Contrôle du Bruit - ICR) dans un projet qui vise à réduire le bruit des éoliennes.

L'objectif de ce travail est de chercher la relation entre le fond sonore qu'émettent lesaérogénérateurs et les variables météorologiques d'un lieu caractéristique. Il est question ensuite de quantifier cette corrélation du bruit de fond moyen à court terme avec les répercutions à long terme. La nouveauté de l'étude réside dans l'apport de données représentatives récoltées par des mesures sur site et les prévisions de bruits. Ceci peut aider de manière efficace l'industrie de l'éolien au moment d'ajuster la puissance des parcs en projet face à l'impact sonore qui sera produit.

L'impact acoustique des éoliennes est une question qui a pris de l'importance depuis le développement de l'éolien marin. Les éoliennes offshore sont plus grandes et plus puissantes que leurs équivalents terrestres et le bruit des moteurs perturbe le comportement de quelques espèces. Dans l'industrie éolienne terrestre, des associations réclament l'éloignement des aérogénérateurs des populations à cause du bruit que font les pales.

(Source : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/70592.htm)

De l'hydrogène solide pour les piles à combustible

Remplacer l'hydrogène liquide par sa forme solide dans les batteries, telle est la prouesse que viennent de réaliser les chercheurs de L'Institut de Recherche en Technologies Industrielles taïwanais (ITRI). Une avancée qui pourrait donner, à terme, des solutions nouvelles pour des applications dans le secteur de l'automobile.

L'Institut de Recherche en Technologies Industrielles taïwanais (ITRI) a dévoilé en juin 2012 une pile à combustible utilisant de l'hydrogène sous forme solide après cinq ans de recherche L'appareil, de la taille d'une canette de soda, contient seulement du borohydrate de sodium (" hydrogène solide "), de l'eau et un catalyseur et peut générer suffisamment de puissance pour alimenter un ordinateur portable par exemple ou bien des appareils à LED.

Une cartouche contenant du borohydrate de sodium est insérée dans un petit générateur d'environ un kilogramme et une réaction chimique à lieu, produisant de l'hydrogène.

La cartouche peut, selon l'équipe fournir une puissance de 20W et alimenter tout appareil muni de prise USB.

L'ITRI a déjà engagé une société taïwanaise pour commencer la production de masse de cette nouvelle technologie.

Les objectifs futurs de développement de ce nouveau produit sont l'augmentation de sa puissance à 40W, le but ultime étant de pouvoir l'appliquer un jour à l'industrie automobile.

Source : Bulletins électroniques

Prise en compte des besoins et des utilisateurs - Pour qui et pour quoi

Cette article s'attaque à un des éléments les plus complexes du travail de conception comme de son accompagnement : identifier, puis définir ceux à qui s'adresse le produit afin de répondre à leurs besoins. Par inconscience de bien des réalités, autant que par facilité, la grande majorité des conceptions ont adopté une vision réductionniste qui privilégiait un nombre restreint d'utilisateurs et de besoins. Ce filtrage se retrouve dans toutes les disciplines et suivant les positions qu'occupe tel ou tel intervenant par rapport au produit.

La notion de client varie de l'un à l'autre, chacun des acteurs de la conception restant persuadé qu'il possède la bonne définition. Seuls les croisements de domaines aussi différents que la Qualité, le Design, l'Écologie, le Commerce, la Production, l'Ergonomie, la normalisation... et les retours d'expériences conduisent à penser autrement.

Comment aider cette manière d'enrichir la conception ? Sortir de l'impossible, ou du commode « on ne peut pas faire plaisir à tout le monde », demande la mise en place, ou l'élargissement, d'outils et de méthodes. Cet article constitue un début à cette perspective qui appellera bien d'autres initiatives.