Comportement au choc de matériaux composites pour applications automobiles

Dans le domaine automobile, la course aux économies d’énergie et aux limitations d’émissions de gaz polluants suscite un intérêt croissant de la part des constructeurs et équipementiers pour les matériaux légers. En parallèle, le souci constant de protéger automobilistes mais aussi piétons lors d’un choc, est à l’origine de normes de sécurité de plus en plus sévères. Constitués de matériaux aux caractéristiques complémentaires, les composites apparaissent comme de bons candidats pour répondre à toutes ces exigences. Ils offrent en effet une faible densité, des propriétés mécaniques élevées et, de plus, présentent des propriétés intéressantes en terme d’absorption d’énergie. En particulier, les matériaux composites à matrice polypropylène renforcée de fibres de verre continues ou coupées, sont désormais pressentis pour différentes applications automobiles structurelles ou semi structurelles. Cependant l’utilisation de ces matériaux est assujettie à la connaissance de leur comportement mécanique en statique comme en dynamique et également à la possibilité de le simuler. A l’heure actuelle, les équipes de conception de pièces automobiles structurelles sont confrontées à une carence d’informations. En conséquence, les résultats de simulation sont loin d’être satisfaisants à moins de recaler les modèles numériques au cas par cas. Cela entraîne un surdimensionnement des structures et une perte des avantages liés à l’utilisation de matériaux composites. En effet, force est de constater que l’on dispose de nombreuses études concernant la caractérisation et la modélisation du comportement en statique des matériaux composites à fibres continues mais que leur comportement dynamique est mal maîtrisé. De plus, le comportement des matrices organiques renforcées de fibres coupées est encore mal appréhendé en statique comme en dynamique.

Les matériaux composites dans l’industrie automobile [Giocosa 1999] 

Le marché automobile est un marché important pour l’industrie des matériaux. En Europe, environ 12 millions de véhicules, d’une masse moyenne de 1000 kg sont produits annuellement, soit 12 millions de tonnes de matériaux.

Si à ses débuts, il y a environ 100 ans, une automobile était constituée principalement de bois et d’acier, aujourd’hui elle rassemble de nombreux matériaux appartenant à différentes familles :
◆ matériaux ferreux : fontes, aciers, tôles (environ 70 % de sa masse) ;
◆ matériaux non ferreux : aluminium (fonte et tôle), cuivre, magnésium (environ 5 %);
◆ matériaux minéraux : verres, céramiques (environ 4 %) ;
◆ matériaux organiques : peintures, adhésifs, textiles, fluides, caoutchoucs, thermoplastiques et thermodurcissables renforcés ou non par des fibres (verre, carbone, aramide, naturelles) ou des charges minérales (environ 20 %).

Les matériaux organiques composites à matrice thermoplastique ou thermodurcissable renforcée par des fibres, généralement de verre, courtes ou longues ont fait leur apparition dans l’automobile durant les années 60-70. Même s’ils sont aujourd’hui utilisés presque exclusivement pour remplir certaines fonctions, leur taux d’utilisation ne dépasse pas 10 à 15 % selon les véhicules.

A priori, ces matériaux présentent en effet trois handicaps majeurs par rapport aux matériaux métalliques dans le cadre d’une utilisation dans le secteur automobile :
◆ un prix élevé au kilogramme ;
◆ des caractéristiques mécaniques plus faibles ;
◆ des procédés de mise en œuvre souvent lents à l’exception du procédé d’injection.

Pourtant les matériaux composites à matrice organique présentent des avantages importants :
◆ une faible densité ;
◆ des technologies de mise en œuvre par moulage qui limitent la matière engagée dans la filière, offrent la possibilité d’obtenir des pièces de forme complexe et suppriment les usinages de finition ;
◆ un excellent comportement vis à vis de la corrosion, de l’indentation due aux petits chocs urbains et un comportement acoustique favorable.

L’utilisation des matériaux composites pour des applications structurelles dépend du niveau de performance souhaité. Pour les pièces semi-structurelles, leur utilisation est croissante. Ces pièces, appelées « serveurs », sont situées sous la carrosserie . Ce sont les poutres d ’absorption de choc, les faces avant techniques supportant le radiateur, les quarts avant supportant les optiques, les doublures d’ailes et d’ouvrants… Ces pièces sont le plus souvent réalisées avec des matériaux thermoplastiques renforcés.

PLASTIC OMNIUM AUTO EXTERIEUR (POAE) et le projet SAFFIR

Les nouveaux enjeux économiques et techniques de l’industrie automobile ont conduit les constructeurs à revoir en profondeur les processus de fabrication des futurs véhicules. Par une approche modulaire et multi-fonctionnelle, les équipementiers contribuent à la mutation du secteur automobile et apportent des solutions toujours plus innovantes. Ainsi, la société PLASTIC OMNIUM AUTO EXTERIEUR, équipementier automobile de rang 1, reconnue mondialement pour la conception et la réalisation de pièces de carrosserie automobile en matières plastiques, propose aujourd’hui des systèmes modulaires s’adaptant à l’ensemble des spécificités architecturales des constructeurs. Dans ce cadre, elle est amenée aujourd’hui à développer des pièces de structure en matériaux composites. Or, cette croissance impose aux équipes de conception et de développement, de maîtriser différentes propriétés des matériaux composites.

Dans le cadre d’un intérêt particulier pour les matériaux thermoplastiques renforcés élaborés par injection, POAE a lancé le projet EUREKA SAFFIR (Structural Automotive Functions FIber Reinforcements) qui doit aboutir à la maîtrise de la mise en oeuvre des thermoplastiques renforcés de fibres de verre longues et de l’anticipation du comportement thermomécanique des pièces réalisées.

Les objectifs sont multiples et les études sont menées conjointement entre POAE et ses partenaires industriels et universitaires : ENGEL (fabricant de presses et vis à injecter), DOW-CHEMICAL (fabricant de matières premières), l’Ecole Supérieure de Plasturgie d’Oyonnax, l’Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers de Châlons en-Champagne, le centre de mise en forme des matériaux et le centre des matériaux de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris. Parmi les objectifs de ce projet, nous pouvons citer :
◆ l’analyse du procédé d’injection des thermoplastiques renforcés en vue d’optimiser le procédé de fabrication ;
◆ la meilleure compréhension de l’effet du procédé de fabrication sur la microstructure des thermoplastiques renforcés ;
◆ la caractérisation de ces matériaux et le développement d’outils de simulation numérique destinés à la conception de pièces structurelles ;
◆ l’étude du recyclage de ces matériaux.

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Table des matières

Introduction générale
PARTIE 1 – CADRE DE LA THESE
Chapitre 1 – Contexte industriel de la thèse
1 Les matériaux composites dans l’industrie automobile [Giocosa 1999]
2 PLASTIC OMNIUM AUTO EXTERIEUR (POAE) et le projet SAFFIR
3 Objectifs industriels de l’étude
Chapitre 2 – Présentation des matériaux étudiés
1 Introduction
2 Les constituants
2.1 Les fibres de verre
2.2 La matrice polypropylène
2.2.1 Propriétés physico-chimiques
2.2.2 Mécanismes de déformation des polymères semi-cristallins
3 Généralités sur le comportement mécanique des composites
3.1 Mécanismes d’endommagement dans les composites
3.2 Effets des grandes vitesses de sollicitation sur le comportement des matériaux composites
4 Le TWINTEX : un tissu verre/polypropylène
4.1 Elaboration du TWINTEX
4.2 Volume élémentaire représentatif (VER) du TWINTEX
5 Le PP-FVC : une matrice polypropylène renforcée de fibres de verre coupées
5.1 Elaboration des matériaux à matrice thermoplastique renforcée de fibres de verre coupées
5.2 Hétérogénéités microstructurales du PP-FVC
5.3 Volume élémentaire représentatif (V.E.R) du PP-FVC
PARTIE 2 – ETUDE EXPERIMENTALE
Préambule à l’étude expérimentale
Chapitre 3 – Caractérisation en quasi-statique
1 Introduction
2 Méthodes expérimentales
2.1 Essais réalisés et objectifs
2.2 Moyens d’essais
2.3 Eprouvettes de caractérisation
2.3.1 Eprouvettes de TWINTEX
2.3.2 Eprouvettes de PP-FVC
2.3.3 Eprouvettes de matrice PP
2.4 Méthode d’exploitation des résultats
3 Résultats expérimentaux en quasi-statique
3.1 Caractérisation de la matrice
3.2 Caractérisation du TWINTEX
3.2.1 Caractérisation dans le sens chaîne
3.2.2 Caractérisation dans le sens trame
3.2.3 Caractérisation à 45° – Comportement en cisaillement
3.3 Caractérisation du PP-FVC
3.3.1 Caractérisation à 0° de la direction d’écoulement
3.3.2 Caractérisation à 90° de la direction d’écoulement
3.3.3 Caractérisation à 45° de la direction d’écoulement – Comportement en cisaillement
4 Conclusion
Chapitre 4 – Caractérisation en dynamique
1 Introduction
2 L’essai de traction à vitesse rapide ( )
2.1 Description du dispositif expérimental
2.2 Mesures des contraintes et des déformations 51
2.3 Les difficultés de l’essai de traction à vitesse rapide
2.4 Propagation des ondes de chargement et état de contraintes uniforme
2.4.1 Réflexion et transmission de l’onde de chargement en propagation viscoélastique
2.4.2 Simulation de l’essai de traction à vitesse rapide
2.4.3 Conclusions
3 Les essais de traction à 10-1 s-1 et à 1 s-1
4 Résultats expérimentaux en dynamique
4.1 Caractérisation de la matrice
4.2 Caractérisation du TWINTEX
4.2.1 Caractérisation dans le sens chaîne
4.2.2 Caractérisation dans le sens trame
4.2.3 Caractérisation à 45° – Comportement en cisaillement
4.3 Caractérisation du PP-FVC
4.3.1 Caractérisation à 0° de la direction d’écoulement
4.3.2 Caractérisation à 90° de la direction d’écoulement
4.3.3 Caractérisation à 45° de la direction d’écoulement
5 Conclusion
Synthèse de l’étude expérimentale
Conclusion générale

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