Si vos produits sont de conception métallique car fortement sollicités mécaniquement, alors la substitution par un matériau en composite haute performance plus légère pour un produit moins cher, cela peut vous intéresser.

Vous êtes transformateur de plastique, alors vous pouvez élargir votre offre produit en proposant des composites à matrice thermoplastique pour répondre à des cahiers des charges très exigeants mécaniquement.

Je vous propose un exemple de pièce automobile fortement sollicitée que j’ai développé : un triangle de suspension. Ce composant relie le moyeu de roue au châssis du véhicule. Il est constitué de deux points de fixation coté châssis (les silentblocs ou articulations) et un point de fixation coté moyeu (rotule de suspension).

Le triangle classique en acier

Le triangle de suspension est situé entre le châssis et la roue du véhicule :

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Il est constitué

  • D’une pièce en acier haute résistance de 5mm d’épaisseur formée par emboutissage,
  • De deux articulations en Caoutchouc, chacune comportant une armature extérieure emmanchées à force dans les épargnes aménagées à cet effet  et d’une armature intérieure (tube d’acier)permettent la fixation au châssis.
  • D’une rotule montée classiquement sur le triangle par boulonnage pour fixation sur le pivot de roue.

Le triangle en composite L’INNOVATION

Conception de l’armature en composite

Dans cette conception on s’affranchit complètement de la pièce métallique. A partir des contraintes attendues en condition de service du triangle,  un design propre composite a été envisagé sur la base de la matière première constituée de plaques (assemblage par pressage de couches de tissu carbone pré-imprégnées de résine thermoplastique polyamide).

Les données mécaniques du composite utilisées dans le logiciel de calcul ont été déterminées en laboratoire sur des éprouvettes prélevées dans les plaques de tissu pré-assemblés.

L’enjeu majeur réside dans l’utilisation de résine thermoplastique (et non thermo dur) pour lier les fibres de carbone. Ce choix a été dicté par une mise en œuvre ultérieure qui doit être très rapide.

Après de nombreuses itérations le dessin définitif retenu consiste à réaliser la pièce à partir de 2 demi-coques assemblées en miroir.

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Démarche de conception et d’optimisation de la géométrie par approche analytique associé au calcul éléments finis.

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Fabrication du triangle

Une des originalités de la fabrication réside dans la volonté d’intégrer les articulations caoutchouc dans le cycle de fabrication du composite. A partir des plaques de semi produit, des ébauches sont découpées, placées dans un système de chauffage permettant de ramollir la résine et transférer dans l’outillage pour emboutir ces dernières et réaliser les deux demi-coques.

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Ceci fait, les demi-coques refroidies dans l’outil d’emboutissage sont automatiquement présentées en miroir, un préchauffage permet de fondre la résine de surface et l’assemblage des deux parties s’effectue par rapprochement sous pression de celles-ci dans le moule fermé.

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Schéma de principe d’estampage des deux demi coques et du système de mise en position miroir pour l’assemblage

Le moule froid est alors ouvert, les deux pièces en caoutchouc préalablement vulcanisées sur un tube d’acier, sont pré- enduites d’adhésif et introduites dans les épargnes du triangle prévues à cet effet. Le moule est alors refermé, et la même résine polyamide chargé à 30% de FV est injectée entre le triangle et les articulations (l’adhésion plastique-caoutchouc est instantanée) . Cette opération permet de réaliser le frettage du caoutchouc et la fixation de l’ensemble.

Le moule est ouvert et la pièce est éjectée de l’outil, prête à recevoir la rotule fixée par boulonnage

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Frettage du caoutchouc

La pression d’injection du plastique permet de réaliser une pré- compression de l’élastomère. Cette pré-compression de l’ordre de 15% compense le  retrait du caoutchouc et donne un point de fonctionnement statique et dynamique de l’élastomère qui permet de multiplier par 3 la durée de vie des articulations en service.

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Avantages du surmoulage simultané des deux articulations dans la pièce composite

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Le triangle a été qualifié en termes de résistance et tenue en fatigue sur des bancs d’essais représentatifs des conditions de fonctionnement sur véhicule

Notre objectif est atteint, à savoir de réaliser ce triangle de suspension au cahier des charges technique avec une masse inférieure de moitié à son homologue en acier . Reste à rendre compatible le temps de cycle et le coût associé à une cadence de grande série automobile.

Pour satisfaire la cadence et le coût une conception entièrement nouvelle, associée à un procédé tout aussi innovant a été développé et a fait ses preuves en production avec un temps de cycle de 2mn.

Cela fera l’objet d’un autre article.