Les composites ont commencé à être utilisés dans les structures des carrosseries automobiles, mais l’acier et plus récemment l’aluminium ont longtemps dominé l’utilisation des matériaux dans cette partie du véhicule. Les constructeurs automobiles s’appuient donc principalement sur la soudure et les fixations mécaniques comme les boulons et les vis pour assembler les structures métalliques. Bien que robustes en général, les joints soudés et les fixations peuvent parfois céder. De plus, ils n’améliorent guère la rigidité (sans augmenter excessivement la masse) ni ne permettent d’atténuer les bruits, les vibrations et la dureté (NVH) ou l’énergie lors d’un accident. Une façon de relever ces défis consiste à renforcer les joints et les cavités de la carrosserie avec des composites associés à des adhésifs structuraux.
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Une des solutions possibles est une classe de matériaux/technologies appelée solutions de carrosserie composite (CBS, Composite Body Solutions). Ces solutions incluent des inserts structurels 3D visant à renforcer les structures principales du véhicule et qui combinent des éléments de la carrosserie ou d’autres sous-structures du véhicule, des supports thermoplastiques (avec renforcement de fibres continues ou discontinues) et des adhésifs structuraux activés par la chaleur, qui se dilatent et moussent. Les éléments CBS sont installés dans la partie carrosserie dès le début de la construction du véhicule, avant l’application d’un revêtement anticorrosion électrophorétique (E-coat).
Les composants CBS sont généralement produits dans un processus de surmoulage de 2K/injection, où le support – intégrant des languettes de soudure ou des assemblages à enclenchement pour joindre temporairement le CBS aux composants métalliques de la carrosserie – est surmoulé sélectivement avec un adhésif expansible et éventuellement un scellant supplémentaire (dans un processus 3K) pour une fonctionnalité accrue. L’adhésif non durci au toucher (à base de résine époxy personnalisée) peut être moulé dans des formes complexes, tout en permettant la couverture E-coat des éléments métalliques en maintenant un espace entre le composite et les surfaces métalliques avant l’expansion induite par la chaleur lors de la cuisson au four après l’E-coat. Lorsque la mousse se dilate, les espaces entre le support et les composants environnants sont scellés, les verrouillant ensemble dans une “macrostructure” de type boîte qui améliore les propriétés mécaniques, en particulier sous des charges élevées et dynamiques.
Lorsqu’ils sont incorporés tôt dans la conception du véhicule, les modules CBS sont des options efficaces en termes de masse et de coût pour augmenter la rigidité locale et globale de la carrosserie et améliorer la sécurité et le confort des passagers à moindre poids. Ils permettent également une neutralité ou une réduction des coûts par rapport à des solutions plus lourdes entièrement métalliques. Initialement utilisée uniquement dans le secteur automobile, une gamme croissante de matériaux pour le support et les adhésifs a élargi les applications CBS, comme le soulignent les points forts suivants.
Conçus pour relever les défis de performance
La technologie CBS a été développée et commercialisée par L&L Products Inc. (Romeo, Michigan, États-Unis). Avec une longue histoire en tant que fournisseur automobile de produits d’étanchéité, de contre-mesures acoustiques et de renforts visant à améliorer les performances des carrosseries, L&L a développé cette technologie pour aider ses clients à renforcer la sécurité des passagers et à répondre à des exigences de crash automobile plus strictes, tout en réduisant les coûts liés au poids et en améliorant le processus de fabrication et d’assemblage du véhicule.
Entre 1995 et 2004, CORE Products, une coentreprise entre L&L et Gurit Essex (Wattwil, Suisse), était responsable du développement initial de l’application et de la fabrication de CBS. L&L a finalement acquis tous les actifs de CORE, qui opère actuellement sous le nom de L&L Products Europe.
L&L a travaillé en étroite collaboration avec ses fournisseurs de matériaux pendant le développement initial et l’expansion ultérieure de la technologie CBS. Une de ces entreprises, Lanxess AG (Cologne, Allemagne), fournit depuis longtemps des matériaux de support composites ainsi qu’un soutien en termes de caractérisation et de simulation des matériaux à L&L en Europe.
CBS en application
Outre les avantages déjà mentionnés, la technologie CBS permet une meilleure transition du chemin de charge, une gestion de charge multiaxiale et une absorption d’énergie accrue ; une plus grande stabilité de section (résistance à l’effondrement ou à l’intrusion) ; une réduction des bruits, vibrations et dureté (NVH) ; et des performances de conduite et de crash améliorées sous des charges plus élevées. De plus, elle offre une mise en œuvre plus rapide lors de la conception/redesign du véhicule et ne nécessite aucun changement dans la séquence d’assemblage en carrosserie. Grâce à la technologie CBS, il est plus facile de contrôler le transfert d’énergie à travers les structures de la carrosserie tout en minimisant les déformations et/ou les intrusions, ce qui en fait une solution idéale pour les applications conçues pour résister aux chocs frontaux, latéraux, arrière ou au renversement de toit afin de mieux protéger les occupants, les habitacles et les batteries. Elle est également utile pour les structures qui doivent passer des tests rigoureux tels que les tests de collision en petit chevauchement de l’Insurance Institute for Highway Safety (IIHS, Arlington, Va., États-Unis).
Les renforts CBS sont des solutions sur mesure pour traiter les problèmes de rigidité localisée et de fatigue métallique sans ajouter de masse.
Ce qui rend la technologie CBS remarquable, c’est qu’elle est l’une des premières approches modulaires et de matériaux mixtes, facile à installer, offrant une stabilité thermique et chimique pour l’E-coat sans changer la séquence d’assemblage du véhicule, tout en améliorant les performances à moindre poids et à moindre coût – le saint graal de l’industrie automobile.
“La polyvalence de conception de la technologie CBS simplifie l’assemblage dans les zones présentant des conditions complexes ou difficiles d’accès”, explique Núria Ignés, responsable de l’ingénierie des produits structuraux, L&L Products Reinforce chez L&L Products EMEA (Altorf, France). “Par exemple, l’utilisation de la technologie CBS sur les portes et autres fermetures non seulement réduit le poids et augmente la rigidité, mais peut également simplifier la fabrication des portes si elle est intégrée dès le début du processus de conception. Grâce aux outils de CAO et à des décennies d’expérience, ainsi qu’à la combinaison du support et de la mousse, qui permet une fixation robuste à la carrosserie une fois durcie, nous pouvons utiliser la bonne quantité du bon matériau au bon endroit pour équilibrer la rigidité avec la masse et le coût, ou l’absorption d’énergie avec l’acoustique et le coût.”
“Un aspect vraiment intéressant de la technologie CBS est sa nature biomimétique”, ajoute Peter Cate, responsable mondial du marketing stratégique chez L&L. “Tout comme les renforts cellulaires au centre des os sont la méthode la plus efficace de la nature pour ajouter de la rigidité et gérer les charges dans les structures creuses avec une masse minimale, une fois que l’adhésif se dilate, les unités CBS renforcent les cavités de la carrosserie de la même manière, aidant les ingénieurs à optimiser la rigidité structurelle tout en réduisant la masse au minimum.”
“En augmentant la rigidité locale et globale et en répartissant les charges de manière plus efficace sur une structure, les renforts CBS sont des solutions sur mesure pour traiter les problèmes de rigidité localisée et de fatigue métallique sans ajouter de masse”, ajoute Pal Swaminathan, responsable du développement commercial chez Tepex Automotive, Lanxess Corp. (Pittsburgh, Pennsylvanie, États-Unis). “Les améliorations NVH sont également courantes lorsque la technologie CBS est intégrée aux structures de la carrosserie. Encore une fois, une analyse d’ingénierie minutieuse permet de développer des solutions d’optimisation du placement pour équilibrer les caractéristiques de conduite et de tenue de route.”
Premières applications
La première application commerciale de CBS par L&L remonte à 1998; dès 2002, la technologie commençait à être acceptée sur le marché. Un bon exemple précoce a été mis en œuvre sur les berlines Citroën C4 Picasso de 2006 du groupe PSA (Paris, France – maintenant Stellantis N.V., Amsterdam, Pays-Bas). Neuf composants CBS – dans les sections inférieures des montants A, les sections inférieures et supérieures des montants B, et sur le traverse au-dessus de l’essieu arrière – ont réduit la masse du véhicule de 12 kilogrammes par rapport aux options métalliques. Certains inserts CBS augmentaient sélectivement la capacité de charge et réduisaient l’intrusion dans l’habitacle en cas d’impact, améliorant ainsi la sécurité des occupants. D’autres amélioraient les performances NVH de la carrosserie. Tous les supports étaient moulés par injection à partir de 35 % en poids de verre court/polyamide 6 (PA6). Des unités CBS similaires ont été utilisées sur les fourgonnettes Ford Transit de 2012 de la Ford Motor Co. (Dearborn, Michigan, États-Unis).
