Projet X08 : structure automobile en composites et aluminium

Structure hybride Mosaïc.

Vue éclatée de la structure.

Plancher composite.

Piloté par Renault, en partenariat avec six fabricants européens, le projet Mosaïc, avec la Clio pour référence, permettrait un allègement de 20 % à un coût acceptable et sans concéder en qualité ni en sécurité.

Comment alléger les véhicules pour réduire leur consommation et leurs émissions polluantes ? Comment diminuer leur prix de revient pour rentabiliser de petites séries ? Une question à l’ordre du jour pour les constructeurs automobiles de plus en plus soumis aux contraintes réglementaires ou économiques. S’il est possible d’appliquer un régime minceur aux carrosseries par l’emploi des thermoplastiques comme par exemple le Noryl pour les ailes de la Mégane et de la Clio, les pièces de structure offrent un potentiel encore peu exploité.

Le projet Mosaïc a reçu le label Eurêka en juin 1991. L’étude de faisabilité, première étape du projet, a conduit à sélectionner deux voies d’investigation.

La voie du progrès continu : mieux utiliser l’acier

La première voie explorée par Mosaïc consiste tout simplement à mieux utiliser l’acier. L’objectif poursuivi dans ce scénario de progrès continu est de repousser les limites de poids et de résistance de l’acier actuellement utilisé sur les véhicules de la gamme. Les améliorations de l’acier ont permis de trouver un gisement d’allègement de l’ordre de 10 % grâce à l’utilisation des aciers à haute limite d’élasticité (HLE) : ils offrent une résistance supérieure à celle des aciers traditionnels et donc autorisent l’emploi de tôles plus fines.

De même, l’utilisation de tôles sandwich pour le soubassement amène à réduire la masse de la structure tout en améliorant l’insonorisation du véhicule. Constituée de deux couches d’acier minces séparées par un film polymère d’environ 45 µm, la tôle sandwich possède un coefficient d’amortissement vibratoire suffisant pour permettre la suppression des insonorisants en feuille fusible appliqués sur les tôles classiques.

La rupture technologique : une structure hybride en aluminium et composites

L’innovation apportée par cette deuxième voie consiste en l’abandon de l’acier au profit d’une solution multimatériaux pour réaliser une structure hybride à base d’aluminium et de composites. La démarche conduit à utiliser le matériau le mieux adapté à une fonction de manière à réaliser une structure offrant le meilleur compromis poids-performances-coûts.

En lançant Mosaïc en 1990, Renault s’était fixé pour objectif de définir une structure plus légère, donc plus performante en termes de consommation et de protection de l’environnement, recyclable et mieux adaptée à la diversité de gamme aujourd’hui recherchée par les clients.

Pour y parvenir, Renault s’est associé au sein d’un programme Eurêka avec de grands groupes européens, tous leaders dans leur domaine de compétence : Sollac (France) pour les aciers, Ciba-Geigy (Suisse) pour les adhésifs structuraux, DSM (Pays-Bas) pour les composites SMC, Enichem et Montedison (Italie) pour les composites S-RIM, Hydro-Aluminium (Norvège) pour les alliages légers en aluminium.

La concurrence, une incitation au développement

Les polymères renforcés par des fibres courtes ou continues sont considérés comme des matériaux ayant des possibilités importantes dans de nombreuses applications où des comportements structurels sont exigés. De nombreux exemples font la preuve que cette famille de matériaux a été largement étudiée, notamment dans le secteur automobile.

Dans le passé, plusieurs constructeurs ont réalisé des études portant sur l’utilisation des matériaux composites dans les structures automobiles. Renault a commercialisé l’Alpine V6 comportant un châssis hybride acier-composites avec une peau en stratifié polyester. L’Espace a été réalisé avec une carrosserie entièrement en composite (SMC) collée sur une structure tubulaire en acier zingué.

Le projet Mosaïc : cinq objectifs

Les objectifs techniques du projet Mosaïc portent principalement sur la faisabilité industrielle et les gains potentiels apportés par l’introduction de matériaux différents de l’acier tels que l’aluminium et les composites pour réaliser la structure d’une automobile. Ils peuvent se résumer en cinq points :

• obtenir un allègement de 20 % à 30 % de la structure par rapport à la Clio acier afin de contribuer à la réduction de la consommation ;
• simplifier le processus industriel par une réduction significative du nombre de pièces et ainsi contribuer à améliorer la productivité de l’Entreprise ;
• augmenter la diversité des caisses pour mieux répondre aux souhaits des consommateurs désireux de pouvoir choisir parmi plusieurs variantes bien typées (berline, coupé, cabriolet, pick-up, van, break, monospace, etc.) ;
• valider les choix de nouveaux matériaux d’une part en réalisant des modélisations à l’aide de codes de calcul appropriés et d’autre part en effectuant les essais fonctionnels standards sur véhicules prototypes ;
• prendre en compte dès la conception la protection de l’environnement par des propositions de recyclage des matériaux et des analyses du cycle de vie.

Des avantages mais encore des risques

La conception Mosaïc conduit à une réduction considérable du nombre de pièces, tout en satisfaisant largement la tenue en endurance, au choc et au vieillissement climatique. Une meilleure compréhension du comportement dynamique des joints collés permettra d’utiliser l’important potentiel d’absorption d’énergie des composites.

Les connaissances des constructeurs sur les comportements des matériaux ont fortement progressé grâce au projet Mosaïc. La maîtrise du choc est un des critères les plus difficiles techniquement à valider et à mettre au point.

Il n’en reste pas moins vrai que les composites restent en position de « challenger » vis-à-vis des matériaux traditionnels. Ils sont confrontés à des handicaps réels tels qu’une comparaison économique difficile avec l’acier qui reste la « référence », une connaissance encore insuffisante des lois de comportements des matériaux polymères, une intégration contraignante dans les processus d’assemblage des usines d’assemblage existantes. Il s’agit d’une véritable rupture technologique qui obligerait à bouleverser les processus traditionnels de conception et de production et à reconsidérer les métiers qui interviennent dans le processus industriel d’aujourd’hui.

Des coûts des matières premières encore élevés et des cadences de production faibles sont des freins importants à la pénétration des composites sur les lignes de montage de grandes séries qui réclame un changement profond de la culture technique des Bureaux d’étude, une étroite synergie entre les concepteurs et les partenaires traditionnels que sont les Chimistes et les Transformateurs.

Cependant, ce projet a été une source importante d’innovations dans différents domaines touchant la conception ou la transformation des matériaux, ce qui s’est matérialisé par le dépôt de 12 brevets.

Les retombées industrielles du projet Mosaïc

La version hybride aluminium et composites coûteuse pour la grande série est idéale pour les petites fabrications. Son application, à court terme, est envisagée sur des véhicules « niches » ou des variantes des véhicules de gamme.

Une retombée exemplaire du programme de recherche est apportée par le cabriolet à caractère sportif Spider Renault , directement issu de Mosaïc, dont la structure porteuse est réalisée en profilés d’aluminium et d’un plancher original double parois en nid d’abeille tandis que la peau est en composite polyester.

Mais au-delà de cette application réussie, saurions-nous faire des voitures en grande série reprenant les solutions préconisées dans ce projet ? Ce n’est plus un problème d’interrogation technique sur le résultat... c’est un problème industriel. Il débouche nécessairement sur des investissements lourds de nouveaux moyens de production capables d’obtenir les performances demandées par le concepteur et d’assurer la répétabilité et la fiabilité nécessaire à une cadence de 2 000 voitures par jour.

Chaque voiture fabriquée doit être « bonne », c’est une exigence légitime du client final.

Dès à présent, ce programme de recherche est utilisé comme un réservoir de solutions qui, au fur et à mesure où elles atteindront un stade de développement suffisant et en accord avec les critères de qualité, seront introduites dans les véhicules de grande production.

Auteur : Pierre Valersteinas, Ingénieur de l'École nationale supérieure de chimie de Paris (ENSCP)
Extrait de © Techniques de l’Ingénieur, octobre 1998

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Crash-test à 50 km/h contre un mur.

Bloc avant composite.

Liaison entre le bloc avant et le plancher
(coupe au niveau de la fixation au berceau).

Structure du véhicule Spider Renault en aluminium et composites.