EPREUVE DE TIPE- PARTIE D

EPREUVE DE TIPE- PARTIE D TITRE: Les matériaux composites dans l industrie automobile Temps de préparation : 2 h 15 Temps de présentation devant le jury : 10 minutes Entretien avec le jury : 10 minutes GUIDE POUR LE CANDIDAT : Le dossier ci-joint comporte :18 pages Document principal : 15 pages Documents complémentaires : 3 pages (Annexe et glossaire) Travail suggéré au candidat: A partir de la synthèse du texte, vous pourrez par exemple : Dégagez les étapes clefs du projet de conception de la structure hybride. Vous pourrez également dégager les avantages et les inconvénients de l utilisation des matériaux composites dans la conception d une automobile. Dans quels autres domaines industriels peut on les utiliser. Justifiez CONSEILS GENERAUX POUR LA PREPARATION DE L'EPREUVE : - Lisez le dossier en entier dans un temps raisonnable - Réservez du temps pour préparer l'exposé devant le jury. 1

5 LES MATERIAUX COMPOSITES DANS L INDUSTRIE AUTOMOBILE Projet d une structure automobile en composite- aluminium 1 Introduction De plus en plus soumis aux contraintes réglementaires ou économiques, les constructeurs 10 automobile sont confrontés à deux questions : Comment alléger les véhicules pour réduire leur consommation donc et leurs émissions polluantes? Comment diminuer leur prix de revient pour rentabiliser les petites séries? S il est possible de réduire la masse des carrosseries par l emploi des thermoplastiques* 15 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. C est pourquoi le projet VSAC (Véhicule a Structure Aluminium-Composite) à été lancé par un constructeur automobile français en partenariat avec six fabricants européens. Avec la Clio comme référence, son objectif est de permettre un allègement de 20% à un coût 20 acceptable sans concéder en qualité ni en sécurité. L étude de faisabilité a conduit à sélectionner deux voies d investigations. La première voie consiste à mieux utiliser l acier. L objectif poursuivi dans ce scénario de progrès continu consiste à repousser les limites de poids et de résistance de l acier actuellement utilisé sur les véhicules de la gamme. Ceci a permis de trouver un gisement 25 d allègement de l ordre de 10% grâce à l utilisation d aciers à haute limite d élasticité(hle) : ils offrent une résistance supérieure à celle des aciers traditionnels et autorisent donc l emploi de tôles plus fines. De même, l utilisation de tôle sandwich pour le soubassement amène à réduire la masse de la structure tout en améliorant l insonorisation du véhicule. Constituée de 2

deux couches d acier minces, séparées d un film polymère d environ 45µm, la tôle sandwich 30 possède un coefficient d amortissement vibratoire suffisant pour permettre la suppression des insonorisants en feuille fusible appliqués sur les tôles classiques. La seconde voie explorée, une structure hybride en aluminium et composite, constitue une rupture technologique. L innovation apportée par cette deuxième voie consiste en l abandon de l acier au profit d une 35 solution multimatériaux pour réaliser une structure hybride à base d aluminium et de composite. La démarche consiste à utiliser le matériau le mieux adapté à une fonction de manière à réaliser une structure offrant le meilleur compromis poids-performences-coûts. En lançant ce projet en 1990, les industriels s étaient fixés pour objectif de définir une structure plus légère, donc plus performante en terme de consommation et de protection de 40 l environnement, recyclable et mieux adaptée à la diversité de gamme aujourd hui recherchée par les clients. Dans le passé, plusieurs constructeurs ont réalisés des études portants sur l utilisation des matériaux composites dans les structures automobiles, tant aux Etats Unis qu en Europe. Par exemple, BMW a réalisé un roadster Z1 avec un châssis autoporteur en acier zingué 45 équipé d un plancher sandwich avec une âme en polyuréthane rigide et deux parties en verre époxy. Renault à commercialisé l Alpine V6 comportant un châssis hybride acier-composite avec une peau en stratifié polyester. GM a commercialisé deux modèles de voitures utilisant largement les composites, la Pontiac «Fiero» et la Chevrolet «Corvette» avec une structure «cage d oiseau» en acier et une carrosserie en composite SMC*. 50 On constate ainsi une forte volonté parmi les constructeurs de commercialiser des véhicules comportant des éléments composites participant plus ou moins à la structure. Cette analyse a conforté le constructeur dans sa démarche de créer un concept de véhicule aluminiumcomposite. 3

55 Les objectifs du projet VSAC 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 affin de 60 contribuer à la réduction de la consommation. Simplifier le processus industriel par une réduction significative du nombre de pièces afin d améliorer la productivité de l entreprise. Augmenter la diversité des caisses pour mieux répondre aux souhaits des consommateurs (berlines, coupés, cabriolets ). 65 Valider les choix de nouveaux matériaux à l aide d outils de calcul ainsi que d essais fonctionnels standards sur véhicules prototype. 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. 70 2 Conception de la structure 2.1 Structure traditionnelle en acier Le développement d un véhicule est aujourd hui parfaitement maîtrisé par par les ingénieurs des bureaux d étude. Les principales difficultés portent sur la conception d un produit innovant dans sa fonctionnalité et sur un style à fort impact émotionnel pour le client. 75 La structure traditionnelle est constituée par une caisse autoporteuse réalisée en tôles d acier généralement de 0.7 mm d épaisseur assemblées par soudage par point. La mise au point d une caisse conventionnelle est réalisée à l aide d un logiciel de dynamique rapide, 4

permettant de calculer les contraintes et déformations d une structure soumise à de grands déplacements et dont le matériau constitutif atteint un état plastique*. 80 Les aciers utilisés sont bien connus et les propositions d évolution ne concernent aujourd hui que leur optimisation afin d obtenir des gains en propriétés mécaniques, en poids et en coût. L intérêt du projet VSAC est de vouloir rompre avec ce schéma traditionnel et de se tourner vers un rupture tant du point de vue des matériaux que du concept même de la structure. 85 2.2 Conception d une structure innovante Le périmètre du projet ne concerne que la structure autoporteuse, c est à dire la caisse en blanc sans les ouvrants. En effet, la fabrication d ouvrants ou d éléments de carrosserie en thermoplastique* ou thermodurcissable* est parfaitement maîtrisée. 90 La Clio est prise comme référence pour toute l étude tant sur les aspects techniques qu économiques car ce véhicule est représentatif d une production en grande série (2000 véhicules par jour) sur un marché fortement concurrentiel. Le projet a abouti à la réalisation de 6 prototypes roulants testés selon les mêmes critères que ceux des véhicules de série. 95 L étude préliminaire d architecture est réalisée à partir d un maillage par éléments finis de la Clio. Le volume compris entre la surface extérieure représentée par la carrosserie et la surface intérieure définie par l habitacle et le compartiment moteur, est un volume disponible pour introduire des matériaux différents de l acier. A partir de ce volume disponible, plusieurs solutions de découpage ont été étudiées afin de 100 respecter au mieux les contraintes du cahier des charges fonctionnel du véhicule. 5

2.2.1 Découpage fonctionnel de la structure La version retenue est caractérisée par un découpage de la structure en trois parties (fig1): Figure 1 découpage structure hybride 105 Le bloc avant dont le périmètre s étant du bouclier jusqu au tablier ; il comprend le compartiment moteur, le berceau support du train avant, la séparation avec l habitacle, la fonction face avant intégrant le support du groupe motoventilateur. Le plancher monolithique débutant au bloc pédale et finissant à la jupe arrière ; il comprends les passages de roues arrières, les fixations du train arrière et celles des sièges 110 des passagers. La superstructure représentée par une «cage d oiseau» intégrants les montants latéraux, le pavillon et les custodes latérales. La vue éclatée (fig2) montre la constitution de chaque bloc et la décomposition en pièces élémentaires. Elle met particulièrement en évidence le faible nombre de pièces nécessaires 115 pour réaliser l ensemble. 6

Figure 2 120 2.2.2 Etude et réalisation des différents blocs Chaque partenaire a proposé des schémas d architecture du sous ensemble dont il était responsable. Il a également étudié la formulation des matériaux et déterminé leur mode de transformation. Il a ensuite mis en œuvre la réalisation des pièces prototypes et leur assemblage. Le constructeur automobile à l origine du projet a assumé la responsabilité de la cohérence de 125 l architecture générale, du choix d une ou plusieurs solutions concernant les parties de l implantation d organes mécaniques et de la carrosserie puis les validations au travers d essais fonctionnels. 2.2.2.1 Bloc avant : tenue au choc La solution proposée par le partenaire pour le bloc avant tient compte principalement des 130 exigences réglementaires fondées sur la tenue aux chocs selon trois niveaux d exigence. Choc à 5km/h : essai réalisé conformément à la directive européenne ECE 42. Le choc doit être entièrement repris par le bouclier avant avec absence complète de défauts. 7

Chocs à 15km/h : Le choc est repris par des absorbeurs sous forme de cône en composite qui permettent une absorption d énergie suffisante sur les premiers 100mm d écrasement. 135 Choc à 50km/h : essais consistant à projeter frontalement le véhicule contre un mur. Pour être conforme, il faut que l habitacle conserve son intégrité, que le déplacement du tablier soit inférieur à 150 mm. Les portes doivent rester fermées et pouvoir s ouvrir après le choc. Afin de respecter ces critères, le principe retenu est celui de l absorption de l énergie cinétique par le bloc avant et le début du plancher grâce à la capacité des composites 140 d absorber de l énergie sous forme de destruction progressive du matériaux. La solution retenue pour le bloc avant est donnée figure 3 Figure 3 bloc avant composite : 2 longerons comprenant les passages de roues, les chapelles* et les fixations du berceau et du groupe motopropulseur. 2 fermetures de longerons pour créer un effet de poutre à grande inertie ( contraintes élevées dues aux efforts de couple bloc moteur par ex). 1 support de batterie intégré dans le longeron gauche. 1 traverse inférieure de baie assurant la raideur entre les chapelles. 1 tablier multifonctionnel séparant l habitacle passager du compartiment moteur. 1 poutre support de bouclier comportant deux cônes absorbeur en composites au droit des longerons. 1 face avant semi-structurale pour supporter les lanterneries, le radiateur et le capot moteur. 8

Le bloc est constituée de 9 pièces principales. Il présente deux particularités techniques : Une liberté de conception des matériaux composite permettant, grâce à l intégration 145 des fonctions, une réduction de 90% du nombre de pièces du bloc avant. Des caractéristiques mécaniques plus faibles que celles des métaux mais compensées par des effets de poutre à double parois afin d augmenter l inertie. 2.2.2.2 Le bloc plancher monolithique La solution retenue est un plancher d un seul tenant (figure 4) à double parois. Figure 4 Le plancher est constitué de 4 pièces principales : 2 parois assemblées par collage 2 passage de roues également collés sur le plancher et le coté de caisse. 150 La logique de conception du plancher à double paroi est fondée sur l obtention de la plus grande inertie possible pour un minimum de poids. Des inserts (composites pultrudés* ou profilés d aluminium) intégrés entre les parois assurent la reprise des efforts du train arrière, des sièges et des ceintures de sécurité. Des recherches spécifiques sur les technologies de transformation ont été rendues nécessaires 155 pour permettre le moulage d éléments de grande dimension avec une reproductibilité suffisante selon une cadence de production d au moins 12 parois de plancher par heure et par moule et des coûts de production acceptables. 9

160 2.2.2.3 Le bloc «cage d oiseau» Ce bloc, servant de superstructure est réalisé principalement à partir de profilés en aluminium. Il est constitué de : 15 profilés : dessinés à la structure des coté de caisse et traverses ; 2 pièces de fonderie servant de pièces de liaison. ; 10 tôles pour l emboutissage des panneaux latéraux et jupe arrière. 165 3 Choix des matériaux composites Les matériaux composites ont été choisis en fonction de critères technico-économiques permettant de fabriquer les pièces dans des conditions réalistes en s appuyant sur les moyens existants dans le tissu industriel européen. Leur mode de transformation devait relever de 170 techniques bien maîtrisées, ou dont le développement était suffisamment prometteur pour justifier leur utilisation. Les propriétés mécaniques devaient permettre d obtenir un comportement fonctionnel en cohérence avec le cahier des charges du constructeur. Les prix de revient et les coûts d investissement devaient être identiques ou inférieurs à ceux de l acier. Ces critères de choix ont conduit à privilégier les composites renforcés par des fibres de verre. 175 3.1 Matériaux pour le bloc avant Le procédé de transformation retenu par le partenaire pour réaliser les 9 pièces du bloc avant est le procédé SMC* déjà largement utilisé dans l industrie. Il autorise le moulage des pièces de dimension moyennes à des cadences de près de 40 pièces à l heure. 180 Les critères techniques du semi-produit élaboré pour le SMC* sont les suivants : Un taux de verre compris entre 45 et 50% en masse pour obtenir un module d Young de l ordre de 14Gpa et une contrainte à la rupture supérieure à 150 Mpa ; Une résine présentant une excellente tenue aux chocs et une très bonne résistance thermique. 10

185 Les caractéristiques du SMC mesurées sur éprouvette sont données ci dessous : Unité Etat initial Après vieillissement Objectif Densité 1,89 0% * Module en traction Gpa 14 +8% >15 Contrainte en traction MPa 155 +2% >150 Module en flexion Contrainte en flexion Gpa MPa 14,6 270 +8% +2% >15 >250 Limite de fatigue Mpa 70 0% >50 Transition vitreuse ttv C 195 0% >120 Tableau 1 On note une limite de fatigue de 70 Mpa nettement supérieure à la contrainte maximale mesurée au niveau de la fixation des amortisseurs de l ordre de 50Mpa. Une TTV de 195 C qui assure une bonne résistance thermique des pièces. 3.2 Matériaux pour le plancher Une pièce de grande dimension telle que le plancher qui occupe 4m² a nécessité de mettre au 190 point une nouvelle technologie de transformation pour composite. La technique S-RIM a servi de base à cette étude particulière. Le principe de transformation est donné figure 5 Mâts de verre Liants Préformés Isocyanate* Polyol* mel Moulage par injection Démoulage Figure 5 schéma du procédé S-RIM Etape 1 : une préforme en fibre de verre continue est réalisée à partir de mâts de verre. 195 Chaque mât contient un liant de préformage constitué de polymères thermoplastiques. 5 ou 6 mâts sont superposés en les croisant à 90 afin d éliminer les effets d orientation puis portés à une température supérieure à la température de fusion du liant. L ensemble est ensuite 11

introduit dans un moule de préformage qui réalise la préforme après démoulage et refroidissement. L ensemble des opérations est réalisé automatiquement. 200 Etape 2 : La préforme est mise en place dans un moule définitif constitué d une matrice et d un poinçon. Une résine hautement réactive est injectée directement dans le moule. La pièce est démoulée au bout de 180 s. La viscosité d une telle résine à température ambiante est de l ordre de 0,001 Pa.s équivalente à celle de l eau. Malgré le taux de verre élevé qui crée des obstacles à l écoulement de la 205 résine, sa très faible viscosité a permis d injecter plus de 10kg de polymère en 20s. L intérêt de cette technique réside dans la faible pression de la résine qui autorise des forces de fermeture du moule acceptable. Ainsi, il est possible de mouler des pièces de grandes dimensions sans presses de fortes capacité réduisant ainsi très fortement les investissements ainsi que les coûts des outillages. Les propriétés du S-RIM mesurées sont les suivantes : 210 Unité Etat initial Après vieillissement Objectif Densité 1,63 0% * Module en traction Gpa 13,5 +3% >14 Contrainte en traction MPa 200-3% >150 Module en flexion Contrainte en flexion Gpa MPa 12,7 340 +3% -3% >14 >250 Limite de fatigue Mpa 65 0% >50 Transition vitreuse ttv C 175 0% >120 Tableau 2 On note une température de transition vitreuse nettement supérieure à celle des résines polyuréthane traditionnelles et permet d éviter des pertes de propriété du plancher à proximité de l échapement (800 C!) 4 Résultats sur la structure complète du véhicule Le plan de validation d un véhicule est destiné à vérifier que les critères fonctionnels jugés fondamentaux pour un usage en toute sécurité sont bien respectés. Le jugement porté sur la structure est fondé sur des résultats d essais en premier lieu sur des éléments simples, puis sur 215 la structure complète et enfin sur le véhicule roulant. 12

4.1 Etude de la rigidité La raideur d une structure est une caractéristique essentielle dont dépend la tenue de route du véhicule et son comportement dans des conditions extrêmes (virages à grande vitesse, roulis). Les mesures de raideur se déterminent en appliquant des contraintes de torsion et de flexion. 220 La torsion est déterminée en appliquant un couple entre l avant et l arrière et en mesurant l angle de torsion. La flexion des blocs avant et du plancher arrière est obtenue en appliquant une force soit sur les longerons avant, soit sur les longerons arrière et en mesurant la flèche résultante. La flexion du plancher se mesure en appliquant une force sur le tunnel et en mesurant la 225 flèche résultante. Plus celle ci est faible, plus la raideur est élevée. Les résultats obtenus au cours du projet sont donnés pour trois structures différentes : La référence Clio acier, la structure hybride alu-composite et une version bloc avant alu. Clio projet VSAC Clio prototype (1) Clio acier Rigidité en torsion Mrd 2,40 2,33 1,48 Flexion bloc avant Mm 1,60 1,23 1,27 Flexion du plancher arrière Mm 1,49 1,27 1,04 Flexion du plancher Mpa 2,05 1,70 1,41 Tableau 3 mesures de rigidité (1) Avec bloc avant en aluminium. Les structures hybrides se révèlent plus souples que la structure acier mais restent convenables. 230 La mesure de rigidité est accompagnée d une analyse modale permettant de caractériser les raideurs locales et donc d intervenir par des renforcement locaux si nécessaire. 4.2 Comportement acoustique et vibratoire Le comportement vibratoire est en relation directe avec le confort acoustique, aujourd hui devenu un critère discriminant pour les véhicules modernes. Les modes de vibration de la 235 structure sont mesurés entre 0 et 200Hz. Plus les modes de vibration apparaissent vers des fréquences élevées, moins la structure sera excitable et meilleur sera le confort acoustique. De même, plus le coefficient d amortissement est élevé, meilleure est la filtration de la structure. 13

Modes de sollicitation Clio projet VSAC Clio prototype (1) Clio acier F (Hz) A% F (Hz) A% F (Hz) A% Torsion 43,6 1,13 46,2 0,93 45,1 0,46 Flexion 3 nœuds 52,8 1,12 55,2 1,01 48,4 0,81 Lacet bloc avant 55,6 0,87 61,2 0,73 56 0,73 Flexion du plancher 60 1,51 58,7 1,19 72 0,94 Tableau 4 mesure des modes de vibration des structures : Fréquence F et amortissement A Pour les fréquences des premiers modes de vibration à l exception du comportement moins 240 bon du plancher, les résultats sont satisfaisants comparé à la Clio acier et confirment que les matériaux aluminium-composite assurent le comportement acoustique souhaité. Le coefficient d amortissement est plus favorable sur les versions hybrides que sur la structure acier. Ce résultat positif a permis de supprimer les insonorisants appliqués sur les tôles d acier et donc d apporter un gain de poids non négligeable. 245 4.3 Endurance de la structure L endurance sur banc ou sur pistes permet de mettre en évidence les manques de fiabilité en condition de roulage extrêmes se traduisant essentiellement par des ruptures aux points de fragilité. 250 Les solutions hybrides ont montré un comportement en fatigue* exemplaire sans aucune rupture ou défaut visibles. En conclusion, les véhicules répondent de manière positive aux critères d endurance, tout en réduisant la masse. 255 4.4 Comportement aux chocs Les études préliminaires sur éprouvette puis sur éléments de longeron ont démontré que l absorption d énergie par des composites est obtenue par la ruine progressive du matériau par délaminage, par opposition à la déformation plastique des métaux. 14

Les essais statiques ont montré le bon fonctionnement des cônes absorbeurs. On constate une destruction progressive du matériau qui s amorce au sommet du cône et se poursuit pendant 260 toute la durée de l essai. Lors d un choc à 15km/h, le comportement des cônes est tel qu ils absorbent pratiquement 70% de l énergie cinétique délivrée lors de l impact. Ainsi les dégâts sur le véhicule sont faibles, ce qui induit une réduction importante des coûts de réparation. Les résultats obtenus lors des crash-tests à 50km/h sont concluants. On obtient une ruine 265 complète et définitive des cônes, suivie de la ruine des longerons. Le bloc avant en composite montre une raideur initiale et des décélérations plus performantes que celles de la Clio. L énergie absorbée sur 200mm d écrasement des longerons se situe entre 3,8 et 4,5 kj. Ces valeurs peuvent être comparées à celle obtenue sur un longeron acier de la Clio qui s élève à 4,5 kj. 270 5 Conclusion Ce projet de conception a conduit à une réduction considérable du nombre de pièces, tout en satisfaisant largement le cahier des charges technique du véhicule. La masse de la structure est passée de 203kg pour la Clio acier à 164kg pour la structure 275 hybride. Une meilleure compréhension du comportement dynamique des joints collés permettra d utiliser l important potentiel d absorption d énergie des composites. La connaissance des constructeurs sur le comportement des matériaux a fortement progressé grâce à ce projet. La maîtrise du choc est un des critères les plus difficile techniquement à 280 valider et à mettre au point. Il n en reste pas moins vrai que les composites sont en position de «challenger» vis a vis des matériaux traditionnels. Ils sont confrontés à des handicaps réels tels qu une comparaison 15

économique difficile avec l acier qui reste la référence. Une connaissance encore insuffisante des lois de comportement des matériaux polymères, une intégration contraignante dans les 285 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. Cependant, ce projet à été une source importante d innovations dans différents domaines 290 touchant à la conception ou à la transformation des matériaux. La version hybride alu-composite coûteuse pour la grande série est idéale pour les petites fabrications. Une retombée exemplaire de ce projet est apportée par le cabriolet «Spider Renault» dont la structure porteuse est réalisée en profilés d aluminium et d un plancher original à double paroi en nids d abeille tandis que la peau est en composite. 16

ANNEXES Les matériaux composites 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Les matériaux composites sont des matériaux solides, inhomogènes et anisotropes, constitués par l'association à l'échelle microscopique de deux (ou de plusieurs) autres matériaux aux caractéristiques complémentaires; cette association leur confère à l'échelle macroscopique un ensemble de propriétés notamment mécaniques, que chacun des constituantes pris isolément ne possède pas. Les premiers développements des composites ont été liés aux besoins des industries aérospatiales en matériaux à caractéristiques mécaniques élevées associés à un faible poids. Actuellement, ils sont présents dans tous les secteurs industriels. Le bois, constitué de fibres de cellulose enrobées dans une matière ligneuse, peut être considéré comme un exemple de composite naturel. Le béton armé est également un composite: le béton seul résiste très bien aux sollicitations mécaniques par compression mais mal aux efforts de traction; le béton armé, dans lequel est incorporée une armature métallique, présente la bonne résistance en compression du béton et l'excellente résistance en traction de l'acier (son inconvénient est se masse volumique relativement élevée). Les constituants Les principaux constituants sont le renfort et la matrice. Le renfort a pour mission de supporter l'essentiel de l'effort mécanique appliqué au matériau composite. Le rôle de la matrice (ou liant) est plus complexe: elle doit lier les renforts entre eux, les protéger du milieu extérieur (corrosion par exemple) et répartir la charge mécanique appliquée. Le renfort Il se présente sous forme fibreuse et est généralement, constitué de plusieurs centaines, voire de plusieurs milliers de filaments de très petit diamètre à très hautes performances mécaniques et de faible masse volumique (Fibre de verre, fibre de carbone ).Cette morphologie particulière du renfort résulte du fait que, lors de son utilisation, une structure n'est pas sollicitée mécaniquement de la même façon dans toutes les directions: certaines zones sont sollicitées en traction, d'autres en compression L'utilisation d'un renfort fibreux permet de renforcer le matériau dans des directions préférentielles; les matériaux composites permettent donc la réalisation d'un compromis entre la texture du matériau et l'état de charge mécanique auquel il doit répondre, compromis impossible à réaliser avec des matériaux homogènes et isotropes. Les matrices À quelques exceptions près (réalisation de cordages par exemple), les fibres ne peuvent être utilisées seules: il est nécessaire de les placer dans un produit d'emballage, la matrice. Trois familles principales de matériaux fibreux correspondent à des matrices de nature différente: organique, métallique ou céramique. Les plus répandus actuellement sont les matériaux composites à matrice organique, l'emploi de composites à matrice métallique ou céramique restant très limité. Les matrices organiques sont obtenues à partir de polymères thermoplastiques ou thermodurcissables (les plus usités actuellement). Dans le cas des résines thermodurcissables, la mise en forme est effectuée impérativement avant l'étape de polymérisation au cours de laquelle le matériau devient, de façon irréversible, rigide; les produits couramment utilisés sont à base de résines polyester insaturé, époxyde ou phénolique. Pour les résines thermoplastiques, la plasticité nécessaire à la mise en forme est obtenue à volonté par simple 17

50 55 chauffage de la matrice, le matériau reprenant sa rigidité lors du refroidissement. Cette particularité permet leur emploi pour des applications en très grande série (pièces d'automobile); outre la cadence plus élevée de fabrication, une opération de recyclage de pièces peut aussi être envisagée. Les principales résines thermoplastiques sont à base de polyamides, de polypropylène ou de polyester saturé. L'utilisation des résines thermoplastiques est encore limitée, car leur emploi est plus délicat et nécessite d'opérer à température élevée. Mise en œuvre 60 Caractéristiques comparées des matériaux : Matériaux Densité (d) E (Gpa) Rm (Mpa) E/d E/d 3 Prix (F/kg) Polyester/ fibre de verre 1,6 10 140 6,6 2,6 12 Epoxy/ Fibre de verre 1,9 25 à 60 420 à 1700 22 5,7 20 Thermoplastique 1,3 1,9 30 à 200 1,5 0,7 20 Aluminium 2,7 70 300 à 650 26 3,5 15 Acier 7,8 210 350 à 1500 27 0,44 4 Fonte 7,5 130 400 17 0,31 4 Titane 4,5 120 1100 26 1,3 150 Absorption d énergie matériaux composite SMC 65 Fmax Fmoyen 70 75 Déplacement total Déplacement 18

Glossaire 5 Thermoplastique : Se dit d'un polymère ou d'un plastique qui, contrairement aux composés thermodurcissables, peut être fondu et resolidifié autant de fois qu'on le désire sans perdre ses caractéristiques. Thermodurcissable : Se dit d'un polymère ou d'un plastique qui, une fois fondu et pris en masse, subit un durcissement irréversible. V. aussi plastique. 10 15 20 SMC : Sheet molding Compound (Mélange en feuille moulable). Un SMC (ou mat préimprégné) est le semi-produit résultant de l association du renfort et d une pâte de résine polyester insaturé. Ce produit comprend tous les ingrédients nécessaires au moulage d une pièce (résine, renfort, charge, catalyseur ) et se présente sous forme de feuille malléable et non collante. Ses caractéristiques viscoélastiques lui permettent de s écouler et de remplir totalement l empreinte d un moule sous l action de la pression et de la température. Pultrusion : Le moulage par pultrusion consiste à tirer un mélange de renfort imprégné de résine à l'intérieur d'une filière de mise en forme chauffée; le produit polymérisé sort en continu de la filière. Cette technique est limitée par les dimensions de filières chauffantes réalisables. Chapelle : Eléments de structure qui permettent la fixation de la partie supérieure des amortisseurs. 25 30 35 40 Fatigue : On appelle essai de fatigue, des essais de déformation cyclique, à froid ou à chaud, permettant, en particulier, de déterminer la limite d'endurance, contrainte maximale admissible sans rupture sur une pièce soumise à des vibrations Isocyanate : Nom générique donné aux sels et aux esters de l'acide isocyanique, de formule générale M N=C=O (par ex., l'isocyanate de potassium, de formule K NCO, et l'isocyanate de phényle, de formule C6H5 NCO). Les esters de l'acide isocyanique sont employés dans la synthèse de résines synthétiques, d'élastomères, de dérivés de l'urée et notamment des mousses polyuréthanes. Polyol : Nom générique donné à des polymères renfermant plusieurs fonctions alcool. Synonyme polyalcool. Déformation plastique : Changement de forme ou de volume d'un corps sous l'action de forces extérieures. Les solides connaissent successivement la déformation élastique, qui disparaît lorsque l'effort cesse, et la déformation plastique, qui se maintient après la disparition de l'effort. 45 19