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2022/2023 1 / 20 Table des matières LES MATERIAUX POUR L’ALLEGEMENT DES VEHICUL

2022/2023 1 / 20 Table des matières LES MATERIAUX POUR L’ALLEGEMENT DES VEHICULES.....................................................................2 INTRODUCTION.......................................................................................................................2 CONTEXTE/ENVIRONNEMENT.................................................................................................3 ENJEUX/OBJECTIFS...................................................................................................................3 ETAT DE L’ART................................................................................................................................7 Les matériaux.............................................................................................................................7 - Les aciers............................................................................................................................7 - Les alliages d’aluminium.....................................................................................................7 - Les alliages de magnésium.................................................................................................7 - Les Polymères et composites...................................................................................................8 - Le verre...............................................................................................................................9 - Les cuivreux........................................................................................................................9 Les principales technologies de transformation :.......................................................................9 LES MATERIAUX APPLIQUES A L’AUTOMOBILE – ETAT DE LIEUX.................................................10 - Les aciers..........................................................................................................................10 - L’aluminium......................................................................................................................11 - Le magnésium...................................................................................................................11 Les Polymères...........................................................................................................................11 Les élastomères (cas spécifique des pneumatiques).................................................................12 Les composites..........................................................................................................................12 Le verre.....................................................................................................................................13 APPROCHE.............................................................................................................................13 Conclusions et orientations de l’étude par famille Matières........................................................13 1. Aciers............................................................................................................................14 2. Alliages d’Aluminium....................................................................................................14 3. Alliages de Magnésium.................................................................................................15 4. Polymères et composites..............................................................................................16 5. Fabrication additive......................................................................................................17 CONCLUSION............................................................................................................................17 Listes des figures 2022/2023 2 / 20 Figure 1 réduction des émissions automobile entre 2025-2030.................................................................................................................................4 Figure 2 besoins en innovations de la filière automobile et mobilités en 2018..................................6 Figure 3 Amélioration du rendement véhicule par l'allégement........................................................7 Figure 4 prototypage rapide à moindre cout......................................................................................7 Figure 5 procédés industriels d'intégration des nouveaux matériaux................................................8 Figure 6 Répartition des matières (%)..............................................................................................12 Listes des tableaux Tableau 1 Tableau de valeurs types des principales caractéristiques Matériaux...............................9 2022/2023 3 / 20 LES MATERIAUX POUR L’ALLEGEMENT DES VEHICULES INTRODUCTION L’automobile se doit de contribuer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre sous la pression des réglementations européennes mais aussi internationales. L’automobile représente environ 10% des émissions globales de CO2 au niveau mondial et les objectifs fixés en Europe (en cycle NEDC) à l’horizon 2020 sont à 95g de CO2/km, soit une réduction de 36% par rapport à 2019. A partir de 2021, le cycle d’homologation sera le WLTP, plus proche d’un cycle d’utilisation client, et les objectifs de réduction des émissions se traduiront de la façon suivante : Figure 1 réduction des émissions automobile entre 2025-2030 Cette réduction sera permise par la diminution des consommations des véhicules thermiques, mais également la mise sur le marché de véhicules à faibles émissions avec des chaines de traction partiellement ou entièrement électrifiées. Ces objectifs, s’ils sont contraignants pour les constructeurs automobiles, devraient être par ailleurs bénéfiques pour l’utilisateur qui devrait voir le coût complet d’utilisation de son véhicule baisser parallèlement à la baisse de consommation. Face à cela les constructeurs automobiles travaillent les différentes pistes contributrices : - Augmenter le rendement de la chaine de traction - Electrifier/hybrider le véhicule - Optimiser les résistances à l’avancement (aérodynamique, résistance au roulement, …) - Réduire la masse La masse est un contributeur majeur à la puissance dissipée par le véhicule puisqu’elle intervient proportionnellement à la résistance au roulement, à l’accélération et à la déclivité des routes. Sur le cycle WLTP il est communément admis qu’une réduction de masse de 100 kg engendre un gain d’émission de CO2 d’environ 4g/km (valable à partir de 2021) pour un véhicule à moteur thermique. Cependant, si la réduction de masse est incontournable elle ne pourra se faire sans une maitrise économique globale, l’utilisateur n’étant pas prêt à en supporter directement tous les coûts. CONTEXTE/ENVIRONNEMENT 2022/2023 4 / 20 L’environnement « matériaux et procédés » bouge, si l’on en juge par les différents congrès, symposiums ou communications qui sont consacrés aux thèmes des matériaux pour l’automobile et/ou de l’allègement à l’échelle mondiale. Il est à noter depuis quelques temps la présence dans ces conférences des acteurs chinois des filières matériaux et le regain d’intérêt affiché (nombre de publications) pour les matériaux « traditionnels » (aciers, aluminium) . Etat des lieux hors France Différents programmes aidés nationaux (ex : programme SMILE en D) visent à développer des fonctions allégées, souvent en mixant les matériaux utilisés et travaillant les process issus d’autres industries pour les adapter aux besoins de l’automobile par exemple en terme de cadence ou de prix de revient. Ces programmes s’appuient généralement sur des plateformes de développement « pré industrielles », permettant de travailler conjointement les caractéristiques mécaniques, thermiques, etc … sur pièces et tous les aspects liés aux procédés. Côté français, la filière peut s’appuyer sur des acteurs « mondiaux » dans le domaine des matériaux (ArcelorMittal pour les aciers, Constellium pour les aluminium, Michelin, Tier 1 comme PO, Faurecia, Novares, sur les polymères et composites, adossés aux chimistes de premier plan comme Arkema, Total, …) et des développements technologiques « tirés » par quelques fournisseurs majeurs de rang 1. Le lancement des IRT, notamment Jules Verne et M2P pour l’automobile, est un élément important du retour à la compétitivité de la R&D et à la performance industrielle sur les matériaux et les procédés de transformation. ENJEUX/OBJECTIFS Les objectifs de cette étude sont multiples : - évaluer les besoins de la filière automobile en termes de matériaux et technologies de transformation (mise en forme et assemblage) pour proposer des solutions d’allègement aux différents types de pièces et fonctions constitutives d’une voiture produite en grande cadence (à partir de 100 000 véhicules/an) - identifier les solutions porteuses d’avenir et sur lesquelles la filière souhaite orienter ses travaux prioritairement, en lien avec les fiches du projet « Véhicule à Faible Empreinte Environnementale » de la PFA (voir ci-dessous) 2022/2023 5 / 20 Figure 2 besoins en innovations de la filière automobile et mobilités en 2018 L’enjeu est de générer un avantage concurrentiel temporaire pour la filière automobile française. Il est évident que l’évaluation des performances et des coûts associés sont déterminants pour positionner les différentes technologies. Néanmoins les investigations doivent se limiter à du précompétitif basé sur des formes types et non des produits « pseudo-aboutis » décrivant des architectures par exemple. Chaque fois qu’il est possible, des critères quantitatifs seront utilisés mais ces études nécessiteront également des critères qualitatifs permettant de mieux évaluer les technologies/matériaux sans dépasser les limites du précompétitif. Exemples : 2022/2023 6 / 20 Figure 3 Amélioration du rendement véhicule par l'allégement 2022/2023 7 / 20 Figure 4 prototypage rapide à moindre cout ETAT DE L’ART 2022/2023 8 / 20 Figure 5 procédés industriels d'intégration des nouveaux matériaux Les matériaux On peut classer les matériaux en 6 grandes familles représentatives pour couvrir l’essentiel de la masse d’un véhicule (hors fluides) : les aciers, les polymères (dont les élastomères), les alliages légers, les cuivreux, les composites et le verre. Ces différents matériaux possèdent des caractéristiques mécaniques intrinsèques qui permettent de les situer et de les comparer entre eux pour établir une première classification élémentaire. Tableau 1 Tableau de valeurs types des principales caractéristiques Matériaux MATERIAU DENSITE Rm (MPa) ELASTICITE (GPa) ACIER 7,8 450 - 2000 210 ALUMINIUM 2,7 250-550 72 MAGNESIUM 1,8 230 45 VERRE 2,5 1100 70 Fibre CARBONE 1,8 3500 300 POLYAMIDE 1,2 80 3,2 POLYPROPYLENE 0,9 33 1-2 On peut ainsi porter un premier constat : - Les aciers possèdent des caractéristiques élevées dans tous les domaines (résistance ultime, rigidité et tenue au crash (allongement à la rupture)) ce qui a fait leur succès mais leur densité élevée ne leur confère pas les meilleurs ratios performance mécanique / masse - Les alliages d’aluminium ont des caractéristiques mécaniques plus faibles en résistance ultime et en rigidité mais aussi en absorption d’énergie pour la technologie moulée ; cependant, sa densité plus faible que l’acier, d’un facteur d’environ 3, lui permet d’afficher un potentiel d’allègement de l’ordre de 20% à 40% en fonction des pièces acier remplacées (pièces de structure ou peaux) - Les alliages de magnésium sont comparables à ceux d’aluminium en terme de performances mécaniques bien que sa rigidité ne soit que 64% de celle de l’aluminium, grâce à sa densité (1,8), la plus faible des matériaux métalliques étudiés), il offre de plus grandes possibilités pour la réduction de masse comparativement à l’acier et à l’aluminium: o 25 à 50% par rapport à l’acier suivant qu’il s’agisse de pièces de structure ou non o 15 à 30% par rapport à l’aluminium suivant qu’il s’agisse de pièces de structure ou non. Ceci est illustré par le ratio (Rm/d). Cependant dans sa version moulée le magnésium ne présente pas de caractéristiques suffisantes d’absorption d’énergie, ce qui peut 2022/2023 9 / 20 limiter son usage pour des applications en choc - Les Polymères et composites Les polymères présentent les densités les plus faibles (0.9 pour le polypropylène) parmi les matériaux de l’étude, offrant ainsi un potentiel d’allégement important. Les polymères seuls (non chargés/non renforcés) présentant des comportements thermomécaniques inférieurs aux métaux, ils ne peuvent être utilisés sur les pièces de structure. Néanmoins, l’utilisation de résines techniques comme le polyamide ou des alliages comme le PPE/PA tendent à étendre les applications possibles. La gamme de matériaux polymères disponible est très importante (depuis les mousses jusqu’aux composites rigides) et offre un spectre de propriétés mécaniques, thermiques et rhéologiques très large. Les polymères peuvent être de nature thermoplastique -comme le polypropylène ou le polyamide- qui sont recyclables ou de nature thermodurcissable -comme l’époxy- qui présente des propriétés thermomécaniques nettement supérieures aux thermoplastiques mais qui ne sont pas recyclables actuellement. Un composite est un matériau constitué d'au moins deux composants de natures différentes aux propriétés complémentaires. Le composite est ainsi composé : o Du renfort fibreux, qui constitue l'ossature de la pièce, et supporte l'essentiel des contraintes. Les fibres peuvent présenter uploads/Ingenierie_Lourd/ les-materiaux-pour-2.pdf