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Place au régime !

Les voitures perdent du poids grâce à l’emploi de plastiques


Le plastique rend les voitures moins gourmandes

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New York, Athènes, Pékin : dans le monde entier, l’automne est la saison traditionnelle des grands marathons. 40 000 participants se retrouvent par exemple chaque année à Berlin et chacun sait qu’il vaut mieux atteindre un poids plume avant de prendre le départ, comme le veut l’un des principes respectés par les coureurs : « chaque kilo en moins te permet de gagner une à deux minutes à l’arrivée ».

Et ce qui est valable pour les sportifs d’endurance l’est tout autant pour les spécialistes de la vitesse dont les performances sont optimisées dans le monde entier par des « entraîneurs » bien différents : nous parlons des automobiles. Comme l’explique Ralf Zimnol, responsable du développement d’applications dans la Business Unit High Performance Materials (HPM) de LANXESS, spécialiste des plastiques particulièrement résistants, « chacun sait que le moindre gramme superflu se monnaie en carburant. Il vaut donc mieux ne pas laisser traîner inutilement les packs de boissons dans le coffre ». Les ingénieurs ont eux aussi leur propre règle « marathonienne » : dans une voiture de gamme moyenne, une surcharge de 100 kilos peut entraîner jusqu’à 0,5 l de consommation supplémentaire de carburant aux 100 km. À l’instar des coureurs, les constructeurs ont donc adopté la devise suivante : alléger au maximum les produits avant de les mettre dans le circuit.

Les matières plastiques sont un ingrédient de choix dès qu’il s’agit de « régime » automobile. Une simple comparaison le prouve : les polymères ne pèsent qu’un sixième ou un septième de leur équivalent en acier. Même l’aluminium est bien plus lourd. Comparées aux matériaux exotiques très légers et onéreux tels que le magnésium, les pièces en matière plastique présentent d’ailleurs des avantages techniques de poids : les crochets, œillets, filetages, déclics, fixations et autres sont moulés directement dans la pièce en plastique – les experts parlent alors d’« intégration fonctionnelle ». Selon M. Zimnol, « il est même souvent possible de concevoir des produits en plastique remplaçant à eux seuls plusieurs pièces métalliques », ce qui non seulement réduit les temps de montage, mais se répercute aussi sur l’affichage de la balance : n’utiliser que deux vis au lieu de 15 permet aussi de réduire le poids !

Depuis quelques décennies, les ingénieurs sont donc à l’affût des pièces métalliques pouvant être remplacées par des produits en plastique, et ce non seulement dans l’habitacle mais directement sous le capot : répartiteurs d’air de suralimentation, tubes d’aspiration, systèmes de vannes papillon, supports de moteur – toutes ces pièces « chaudes » sont réalisables en plastique. Les matériaux polymères haut de gamme renforcés fibres, particulièrement solides, présentent désormais pratiquement les mêmes paramètres que l’acier tout en étant moitié moins lourds avec des performances comparables.

Mais les autos n’ont pas vu leur poids fondre comme neige au soleil car il ne faut pas oublier la masse que représentent airbags, climatisation, lève-vitres électriques et autres innovations techniques. Autrement dit, en route pour le second tour, la question étant de savoir s’il est possible d’alléger encore plus les pièces en matière plastique. En employant par exemple des fibres de carbone ultra-légères et très solides ? Cela fonctionne effectivement mais est encore trop cher pour le marché de masse. Il y a une vingtaine d’années, les spécialistes de LANXESS ont eu une meilleure idée. Ralf Zimnol rappelle que « la solution choisie impliquait l’utilisation de métal – un paradoxe en soi ». En effet, même si les plastiques sont plus légers, les pièces doivent souvent être plus épaisses si elles veulent être aussi solides que leurs homologues en acier… ce qui invalide partiellement les effets du régime. « Nous nous sommes demandé ce qui se passerait si l’on renforçait les composants en plastique par de minces tôles métalliques aux endroits décisifs », se rappelle le chercheur.

Une excellente idée s’il en est, car le principe appelé « technique hybride » a fonctionné effectivement. Désormais, les pièces fonctionnelles complexes en tôle d’acier et polyamide que sont les frontends (« le meilleur de deux univers ») sont devenues aussi courantes que la climatisation : « En l’espace de dix ans, plus de 40 millions de ces composants structurels de carrosserie extrêmement résistants ont été fabriqués grâce à la technique hybride élaborée par LANXESS », rapporte Ralf Zimnol.

Ce ne sont d’ailleurs pas les seuls concepts technologiques de pointe signés LANXESS : la réussite de la technique hybride est également illustrée depuis longtemps par les cadres de toit, supports de pédales et pédales de frein équipant les voitures. Ces pièces sont de 40 % plus légères que les composants en acier, leurs coûts de production inférieurs d’un cinquième et pourtant, elles supportent des charges plus élevées. Désormais, les concepteurs automobiles utilisent la technique hybride pour concevoir sur leurs moniteurs portes, hayons, capots et même des carters à huile extrêmement résistants. M. Zimnol : « nous sommes très étroitement impliqués dans bon nombre de nouveaux développements de ce genre car nous détenons un savoir-faire exceptionnel dans ce domaine ».

Ceci permet également aux techniciens de LANXESS d’affiner leurs recherches afin d’optimiser la résistance de ces mêmes pièces hybrides. Une possibilité consiste à recouvrir de minces tôles d’acier de colles spéciales avant de les combiner avec le plastique. « Dans la technique hybride, polymère et élément de renforcement sont liés par de petites perforations et par des creux aménagés dans le métal. Le plastique s’y répand et les traverse, durcit et solidarise l’ensemble. Mais dans le « collage hybride », la liaison obtenue est intégrale, ce qui peut la rendre encore plus solide », explique M. Zimnol. À titre de comparaison, on parvient, avec un peu de force, à séparer des planches clouées alors que la même opération est bien plus difficile, voire impossible si elles sont bien collées.

 

Des tôles en matière plastique
De toutes nouvelles possibilités pour les structures allégées

II_1_LeichtbauUn tout autre type de développement reste fidèle à la tôle. Mais elle n’est plus en métal. Un paradoxe ? Pas du tout. À la place des tôles d’acier, les constructeurs automobiles utilisent parfois des « tôles organiques » qui sont de minces plaques préfabriquées en plastique renforcé fibres se moulant de la même façon que des plaques métalliques fines. Il suffit de leur ajouter nervures et renforts en polyamide pour obtenir des pièces offrant la même solidité que les pièces hybrides en métal et matière plastique tout en étant encore plus légères. Leur inventeur ? Encore LANXESS.

M. Zimnol explique que « les composants hybrides en tôle organique profitent de la liaison de matière. Le polyamide se lie plus facilement avec le plastique de la tôle organique qu’avec du métal ». Ceci augmente la liaison des composants, comme le prouvent les essais de choc. Parmi les premières applications : l’avant de la nouvelle Audi A8 où la pièce de structure inférieure est renforcée par une tôle organique. Effet secondaire appréciable : ces tôles ne rouillent pas.

Depuis quelques années, les techniciens du groupe de chimie de spécialités LANXESS se sont replongés dans l’étude des partenaires polymères des tôles métalliques ou organiques : ce sont les matières plastiques conférant à la pièce terminée son apparence et sa fonction finales. « Notre programme comprend désormais des polyamides du type Durethan EF (« easy flow ») et Durethan XF (« extreme flow ») qui sont encore plus malléables, dans l’outil de moulage par injection, que d’autres produits de notre portefeuille », ajoute Ralf Zimnol. Autrement dit, il est possible de réduire encore plus l’épaisseur des composants hybrides, qui sont de toute façon déjà légers, parce que le matériau peut être injecté, dans le moule, dans des canaux encore plus fins. Le transformateur réalise ainsi des économies parce qu’une température de chauffe élevée n’est plus nécessaire pour que le matériau soit bien malléable. De plus, les pièces moins épaisses refroidissent plus rapidement – un autre avantage raccourcissant les cycles de production. Et comme il est possible d’ajouter encore plus de fibres stabilisatrices à la variante plus fluide, les pièces obtenues sont encore plus solides – et plus légères comme on le sait.

Lorsque les ingénieurs du secteur automobile se sont lancés dans leur marathon d’économie d’énergie, ils ne pensaient pas aboutir à de tels développements. Mais n’oublions pas que beaucoup d’athlètes entamant les 42 km de leur parcours franchissent généralement la ligne d’arrivée transformés. Cette ligne se profile-t-elle déjà à l’horizon ? M. Zimnol de conclure : « Le coup d’envoi vient à peine d’être donné ! Nous avons encore un long chemin devant nous dans le domaine de la construction allégée en plastique ».