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ECOLE DES MINES DE DOUAI ________________ DELANNOY (Marc) DEMARLE (Benoît) ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE L'utilisation du carbone et des composites dans la réalisation de châssis de voitures de course : état de l'art Promotion 2009 Année Scolaire 2005-2006

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ECOLE DES MINES DE DOUAI

________________

DELANNOY (Marc)

DEMARLE (Benoît)

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

L'utilisation du carbone et des composites dans la

réalisation de châssis de voitures de course : état de l'art

Promotion 2009 Année Scolaire 2005-2006

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REMERCIEMENTS ________________

Nous tenons à remercier Monsieur Jean-Luc CAENEN responsable du

service des formations à l’Ecole des Mines de Douai, notre parrain, pour

son aide tant sur la réalisation que sur l’orientation de cette étude

bibliographique.

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TABLE DES MATIERES

Résumé et mots matières ........................... ......................................... 7

Abstract and keywords ............................. ........................................... 9

Introduction ...................................... .................................................. 11

I. L’historique de la conception des châssis de voitur e de course 13

Avant-propos : la conception d’un objet....................................................................15

1) Généralités sur les châssis .......................................................................16

2) La conception d’un châssis .......................................................................18

3) Les différents types de châssis..................................................................21

4) Conclusion de la première partie ...............................................................26

II. La conception moderne des châssis de voiture de course :

carbone et composites ............................. ......................................... 27

1) Le matériau composite dans l’automobile .................................................29

2) Le châssis en composite ...........................................................................37

3) Avantages et inconvénients des composites ............................................46

4) Conclusion de la deuxième partie ..............................................................50

III. L’avenir et la limite de l’utilisation des com posites ................... 51

1) L’aspect environnemental .........................................................................53

2) L’aspect économique ................................................................................58

3) Difficultés technico-économiques ..............................................................59

4) Difficultés culturelles .................................................................................60

5) Conclusion de la troisième partie ..............................................................61

Conclusion ........................................ .................................................. 63

Références bibliographiques ....................... ..................................... 65

Glossaire ......................................... .................................................... 69

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RESUME

________________

Lors d’une course automobile, on a tendance à croire que seules les compétences

du pilote sont à l’origine de la victoire. Cependant, il n’y a pas de bons pilotes sans

bonnes voitures.

En effet, derrière les performances se cache tout un travail de conception et de

réflexion autour des caractéristiques du véhicule, notamment celles liées à son

châssis .

Le châssis d’une voiture de course joue un rôle capital dans les performances de

l’automobile . C’est pourquoi, il a toujours été au centre des recherches effectuées

par les grandes écuries de course, dans le but d’augmenter les performances de

leurs voitures.

Depuis les années 50, on a cherché à améliorer la conception du châssis, de part sa

forme mais aussi de part les matériaux utilisés. On a ainsi construit des châssis

tubulaires puis monocoques en utilisant l’acier ou l’aluminium. Dans les années 80,

les constructeurs automobiles ont assisté à l’émergence d’un tout nouveau type de

matériau : les composites et notamment ceux à base de carbone .

Ces matériaux révolutionnaires ont ouvert de toutes nouvelles perspectives. De part

leur structure, les composites allient robustesse, légèreté et malléabilité lors de la

fabrication du châssis.

Après être restés longtemps dans le milieu de la compétition, les composites

apparaissent maintenant dans l’ensemble du milieu industriel de l’automobile. On

construit maintenant des voitures « grand public » alliant les technologies de l’acier et

des composites. Au travers de cette utilisation grandissante des composites, il

apparaît une rivalité entre les promoteurs de l’acier et ceux des composites.

MOTS MATIERES

- Automobile - Carbone - Châssis

- Conception

- Composite - Légèreté

- Performance

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ABSTRACT

________________

At the time of a motor race, one tends to believe that only competences of the pilot

are at the origin of the victory. However, there are not good pilots without good cars.

Indeed, behind the performances is hidden a whole work of design and reflexion

around the characteristics of the vehicle, in particular those related to its frame .

The frame of a racing car plays a capital part in the performances of the car . That’s

why; in the research center it always was carried out by the large racing stables, with

an aim of increasing the performances of their cars.

Since the Fifties, one sought to improve the design of the frame, in its form but also in

the materials used. One thus built tubular frames then monocoque by using steel or

aluminium. In the Eighties, the car manufacturers saw the emergence of a very new

type of material: composites with carbon .

These revolutionary materials opened a lot of new prospects. By their structure, the

composites combine robustness, lightness and malleability at the time of

manufacture of the frame.

After having remained a long time restricted to the world of the competition, the

composites appear now in the rest of automobile manufacturer circle. One now builds

cars "general public" combining technologies of steel and the composites. Through

this growing use of the composites, it a competition has arisen between the

promoters of steel and those of composites.

KEYWORDS

- Car - Composites - Carbon - Design

- Frame - Lightness - Performances

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INTRODUCTION

________________

En compétition automobile, le but est d’aller toujours plus vite. Les écuries F1

sont ainsi soumises à une énorme pression et sont donc obligées de développer

sans cesse de nouvelles technologies (nous avons, en effet, pu observer une

évolution constante depuis 50 ans sur les Formule 1).

Parmi les composantes d’un véhicule de compétition, le développement du

châssis est primordial si l’on veut améliorer les caractéristiques de la voiture. Sa

conception a beaucoup évolué pour aujourd’hui atteindre un excellent compromis

entre légèreté, aérodynamisme et fiabilité mécanique (tout en respectant les

différents règlements internationaux).

C’est ainsi qu’est apparu le matériau composite au sein du châssis de la

Formule 1. Composés d’une matrice (souvent organique) et de fibres, les composites

présentent de multiples avantages.

Au vu de leur succès, les composites envahissent peu à peu l’industrie

automobile et apparaissent sur de nombreux modèles de véhicules destinés au

grand public. Cependant, tout cela se fait au détriment de matériaux traditionnels tel

que l’acier et provoque des tensions entre les producteurs d’acier et de composites.

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Partie I

________________

L’historique de la conception des châssis de voiture de course

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Avant-propos : la conception d’un objet

La conception d’un objet, quel qu’il soit, va se dérouler de façon différente selon le

but poursuivi.

On distingue trois grands types de conception :

• la création : l’objet fabriqué étant conçu ex nihilo à partir d’une idée

originale : c’est une conception innovante. Par exemple, c’est le cas de la

création du disque compact.

• l’optimisation : la conception vise alors à optimiser une caractéristique de

l’objet, qui n’est pas modifié dans son principe de fonctionnement. C’est

notamment le cas lorsque l’on passe par le changement de matériau pour

diminuer le prix ou améliorer une performance. Par exemple, on peut citer

le cas de l’étude d’une bouteille de boisson gazeuse qui était

précédemment fabriquée en verre et que l’on veut réaliser en plastique

pour en diminuer la masse, et/ou la fragilité.

• la variation : le principe de fonctionnement est conservé, mais le

changement des dimensions ou une modification de détail impose une

conception nouvelle. C’est le cas, par exemple, du passage d’un petit

réservoir à une grande citerne.

Ses trois règles générales ont été, selon les époques, appliquées à la conception

des châssis de voiture de course.

En effet, depuis le début de la course automobile, les ingénieurs et les chercheurs

ont tour à tour créé, optimisé ou varié.

Nous allons maintenant exposer ces trois aspects de la conception d’un châssis de

voiture de course au travers des différentes réalisations passées, présentes ou à

venir.

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1) Généralités sur les châssis [1], [2], [3]

De manière générale, on peut définir le châssis com me la partie

centrale de la voiture où tout est rattaché .

Cependant, on ne peut pas réduire le rôle du châssis à celui d’un simple squelette

sur lequel le reste des éléments de la voiture est fixé. En réalité, il est un élément

essentiel du véhicule : les performances de la voiture et la sécurité du pilote en

dépendent fortement.

D’un point de vue performance, la masse du châssis va conditionner l’ensemble

de la conception du véhicule. En effet, si on allège le châssis, deux possibilités

s’offrent alors aux concepteurs :

- soit on décide d’utiliser ce gain de masse pour ajouter des éléments

supplémentaires. Des éléments de renforts, des structures permettant d’améliorer

l’aérodynamisme de la voiture (tels que les ailerons ou les spoilers) ou même un

moteur plus imposant.

Dans cette première voie, on s’attache à améliorer les performances du véhicule.

- soit on décide de conserver ce gain de masse sans changer la structure

Dans cette deuxième voie, il s’agit de bénéficier d’une voiture plus légère, une

volonté que l’on peut retrouver dans des courses d’endurance.

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De plus, la forme du châssis va jouer un rôle direct ou non sur l’aérodynamisme

de la voiture. En effet dans le cas d’un châssis tubulaire, son aspect va influer sur la

forme de la coque qui va reposer sur lui ou du moins il va réduire les possibilités

d’incorporer une coque dont la forme présentera des caractéristiques

aérodynamiques maximales. Dans le cas d’un châssis monocoque, sa forme joue un

rôle direct sur l’aérodynamisme de la voiture.

Le principe régissant les lois aérodynamiques d'une voiture de

course repose sur la relation qui unit pression et vitesse de l'air

de chaque côté d'une surface.

Sur le schéma ci-dessous (figure n° 2), on a représ enté deux

molécules d'air, A et B qui se présentent ensembles devant

une lame d'un aileron de la voiture. L'une, la A, passe par en

haut, et l'autre, la B, passe par en dessous. Bien que le

chemin de la molécule B soit plus long, les deux molécules se

présentent ensemble à la sortie de l'aileron. Ceci prouve que

la molécule B s'est déplacée plus vite que la molécule A,

créant ainsi une dépression qui génère de l'appui. (figure n° 1).

Figure 1

Ce meilleur appui au sol permet une meilleure stabilité de la

voiture permettant ainsi de concourir à des vitesses plus

importantes.

Figure 2 : modélisation du schéma de deux molécules d’air se présentant sur un aileron

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Il est donc clair que l’aérodynamisme est un facteur clé dans le domaine de la course

automobile. L’élaboration de châssis permettant d’obtenir un maximum de

performances aérodynamiques s’avère un enjeu majeur pour les constructeurs.

D’un point de vue sécuritaire, pour doter le véhicule d’un châssis le plus solide

possible (afin d’assurer un maximum de sécurité pour le pilote) on peut jouer sur sa

forme, sa masse ou le matériau le constituant.

Car rappelons-le : même si dans cette Etude Bibliographique nous parlerons

majoritairement d’objets inertes et de démarches techniques, derrière chaque

conception de châssis, outre l’aspect performance, il y a un être humain à protéger.

Intéressons-nous maintenant à l’évolution de la con ception des châssis au

cours des années.

2) La conception d’un châssis [11], [16]

De 1950 à 1990, les châssis de voiture de course ont toujours bénéficié des

meilleures techniques industrielles. Durant ces quatre décennies, ces techniques ont

fortement évolué.

Au départ, ils étaient réalisés de manière artisanale : on construisait un moule en

bois (appelé « Buck ») qui servait de modèle pour la réalisation du châssis final.

Dans les années 70, les châssis étaient fabriqués sur un banc d’assemblage où

l’on construisait un modèle type en aluminium (celui intégrait la place des futures

pièces se raccrochant au châssis). L’inconvénient de cette technique était que tous

les éléments étaient fabriqués séparément puis réassembler par collage et rivetage,

ce qui donnait un châssis présentant de nombreux joints.

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Dans les années 80, avec la prise de conscience de l’importance de

l’aérodynamisme, on s’attacha à créer des châssis sans joints. Les constructeurs

adoptèrent le concept du « moule mâle » en aluminium, celui-ci était recouvert de

panneaux en fibres de carbone. On chauffait alors l’ensemble dans un four

autoclave : la fusion des panneaux permettait ainsi d’obtenir une structure sans joints

sur laquelle on rajoutait les futures pièces se raccrochant au châssis.

Dans les années 90, les progrès dans le domaine des machines outils et de

l’informatique (notamment la Conception Assistée par Ordinateur : CAO) ont permis

d’améliorer la précision et la complexité des châssis. En effet, grâce à la CAO, on

pouvait piloter les machines outils et créer des châssis de plus en plus performants.

Figure 3 : exemple de la conception d’un châssis tubulaire à l’aide du logiciel Solidworks®

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Aujourd’hui, on utilise des « moules femelles », ce moule est creux et l’on dépose

le matériau à l’intérieur. La monocoque est constituée de deux parties assemblées

entre elles et porte un joint très fin sur toute sa longueur. Ceci permet de faire jouer à

l’extérieur de la coque un rôle aérodynamique.

Dans la compétition F1, les écuries recherchent le meilleur aérodynamisme

possible mais elles sont également soumises aux règlements relatifs à la compétition

automobile.

Nous allons maintenant exposer les différents types de châssis employés dans

le domaine de la course automobile depuis les prémi ces de ce sport

mécanique jusqu’à aujourd’hui.

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3) Les différents types de châssis [4], [5], [6], [10]

3.1) Le châssis tubulaire en acier (1950 – 1962 )

On peut définir de manière générale le châssis tubu laire comme une cage

constituée de tubes d’acier soudés les uns aux autr es.

Il fût le premier type de châssis à être utilisé dans la compétition.

Bien qu’actuellement il soit supplanté par d’autres types de châssis, il reste encore

utilisé lors de la conception de voiture à coût réduit, par exemple lors de challenges

entre grandes Ecoles. Tels que : le challenge AKKA.

Sa structure composée de tubes en acier offre une grande rigidité ainsi qu’une

très bonne résistance aux chocs en cas d’accident. Il encaisse plus aisément les

contraintes imposées par les suspensions et garantit ainsi un bon comportement du

véhicule.

La solidité de l’acier autorise à concevoir une structure à la fois compacte et

résistante. La compacité de la voiture étant un atout en matière d’agilité et d’efficacité

aérodynamique.

D’un point de vue économique le châssis tubulaire en acier est particulièrement

adapté à une production en petite série.

Cependant au début des années soixante, la volonté grandissante des écuries à

vouloir améliorer les performances de leurs voitures ont amené à la création d’un tout

autre type de châssis : le châssis monocoque.

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Figure 4 : exemple de châssis tubulaire en acier

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Mercedes W196 (1955)

Châssis tubulaire Carrosserie en aluminium

moteur 8 cylindres en ligne

cylindrée 2496 cm3, alésage 76 mm Puissance 280 ch à 8500 tr/mn.

Boîte de vitesse à 5 rapports Poids 720 Kg

Vitesse maximale 290 km/h

Lancia Ferrari (1956)

Châssis tubulaires Carrosserie en aluminium

moteur 8 cylindres en V à 90° à 2 a.c.t. cylindrée 2488 cm3, alésage 73,6 mm

Puissance 250 ch à 8100 tr/mn. Boîte de vitesse à 5 rapports

Poids 640 Kg Vitesse maximale 280 km/h

Maserati 250 F (1957)

Châssis tubulaire Carrosserie en aluminium

moteur 6 cylindres en ligne à 2 a.c.t. cylindrée 2494 cm3, alésage 84 mm

Puissance 240-270 ch à 7200-8000 tr/mn. Boîte de vitesse à 5 rapports

Poids 670 Kg Vitesse maximale 290 km/h

Cooper-Climax (1959)

Châssis tubulaire Carrosserie en aluminium

moteur arrière Conventry-Climax à 4 cylindres double

cylindrée 2495 cm3, alésage 94 mm course 89,9 mm, alimentation par 2 carburateur Weber

Puissance 240 ch à 6750 tr/mn. Boîte de vitesse à 4 rapports

Poids 460 Kg Vitesse maximale 280 km/h

Figure 5 : exemples de voitures de courses à châssis tubulaire

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3.2) Le châssis monocoque (1963 – 1980)

De manière générale, on peut définir le châssis mon ocoque comme un caisson sur lequel vient s’ajouter les autres pièces de la voiture. Ce type de châssis

joue à la fois le rôle de châssis et de coque extér ieure.

Figure 6 : Exemple d’un châssis monocoque en aluminium

Le châssis monocoque en aluminium

Le choix de l’aluminium n’a lui non plus pas été fait au hasard. Parmi ses

nombreuses caractéristiques, l’aluminium est le métal le plus léger après le lithium et

le magnésium et il a une bonne résistance à la corrosion. De plus, l'aluminium est un

métal robuste. En effet, bien que les caractéristiques de l'aluminium pur soient

faibles, la réalisation d’alliage à base d’aluminium permet d’obtenir des matériaux

résistants pouvant avoir une charge de rupture supérieure à 700 MPa, donc

largement équivalente à celles des aciers trempés.

L’utilisation d’alliages à base d’aluminium permet donc de concevoir des châssis

résistants et très nettement plus légers que les châssis en acier, l’aluminium étant

3 fois moins dense que l’acier.

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Le châssis monocoque en aluminium avec une structur e en nid

d’abeille

Par la suite, le monocoque rigide en aluminium céda la place à un châssis en nid

d'abeille en aluminium. La structure en nid d’abeille est un alliage d’aluminium ou un

papier polyamide. Parmi ses avantages, on peut citer sa très bonne résistance aux

impacts, à la fatigue et aux efforts de compression et de flexion. Mais son plus grand

avantage vient du fait qu’à résistance égale, le gain en masse peut aller jusqu’à 66%

par rapport à un matériau classique.

Figure 7 : Exemple de structure en nid d’abeille

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3.3) Les châssis et les « nouveaux matériaux » (dès 1982)

Au début des années 80, les innovations dans le domaine des châssis de voiture de

course étaient alors loin d’être finies. En effet, afin d’améliorer sans cesse les

performances de leurs voitures, les grandes écuries de l’époque se tournèrent vers

de nouveaux matériaux.

4) Conclusion de la première partie

Comme nous venons de le voir, le châssis dans une voiture de course constitue un

enjeu majeur dans la compétition. C’est pourquoi, portée par la volonté des écuries

automobiles d’améliorer leurs performances, la conception des châssis a toujours

bénéficié des meilleures innovations de chaque époque.

Dans cette seconde partie nous nous intéresserons aux innovations les plus

récentes au travers de l’emploi des nouveaux matériaux : les composites.

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Partie II

________________

La conception moderne des châssis de voiture de course : carbone et composites

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1) Le matériau composite dans l’automobile [7], [8], [9], [12], [13], [14]

1.1) Généralités sur les composites

Officiellement, la norme AFNOR NF T50-100 définit un matériau composite comme

étant un produit solide comportant au moins deux phases physiques distinctes,

composées d’un matériau de liaison et d’un matériau sous forme granulée, fibreuse

ou lamellaire.

Un matériau composite est un matériau hétérogène, constitué d’au moins deux

matériaux non miscibles. Cette association leur confère à l’échelle macroscopique un

ensemble de propriétés mécaniques, que chacun des constituants pris isolément ne

possède pas. A l’échelle microscopique, le terme « composite » désigne l’association

intime d’un renfort et d’une matrice qui lie les renforts entre eux et dont la résistance

mécanique est nettement plus faible.

Le renfort :

Le renfort a pour mission de supporter l’essentiel de l’effort mécanique

appliqué au matériau composite.

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, Kevlar..).

Page 30: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

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Figure 8 : Evolution de l’utilisation des renforts

Il correspond au squelette du composite. 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 sont

sollicitées en traction, d’autres en compression…

L’utilisation d’un renfort fibreux permet de renforcer le matériau (c’est-à-dire

optimiser son comportement mécanique) dans les directions préférentielles

(figure n°9); les matériaux composites permettent d onc 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.

Figure 9 : L’importance de l’utilisation des renforts

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La matrice :

A 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 composites les plus répandus actuellement sont les matériaux

composites à matrice organique (99% du marché), l’emploi de composites à

matrice métallique ou céramique restant, en effet, très limité.

Les matrices organiques sont obtenues à partir de polymères* thermoplastiques

(polymères pouvant être fondus et resolidifiés autant de fois qu’on le désire sans

perdre ses caractéristiques) ou thermodurcissables (polymère qui une fois fondu

subit un durcissement irréversible); ces derniers sont les plus utilisés actuellement.

Dans le cas des résines thermoplastiques , la plasticité nécessaire à la mise en

forme est obtenue à volonté par simple chauffage de la matrice, le matériau

reprenant sa rigidité lors du refroidissement. Cette particularité permet leur emploi

pour des applications en très grande série telles que les pièces d’automobile.

Outre une cadence plus élevée de fabrication, une opération de recyclage de pièces

peut aussi être envisagée.

Les principales résines thermoplastiques sont à base de polyamide (PA), de

polypropylène (PP) 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.

Pour les 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.

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32

Parmi les composites à matrice organique, on peut opérer une classification selon

leurs performances. On distingue :

- les composites de grande diffusion (GD), peu coûteux et largement utilisés dans

l’industrie.

- les composites à hautes performances (HP), beaucoup plus onéreux ont un

emploi restreint mais d’excellentes propriétés mécaniques.

Lorsque que l’on évoque les matériaux composites on parle parfois de charges et

d’additifs. Ces produits sont incorporés dans les résines afin d’améliorer leur

caractéristiques et réduire leur coût. Leurs applications dans les composites sont

limitées.

Dans tous les cas, les propriétés des composites vo nt dépendre :

- de la nature de la matrice

- de la nature, de la forme et de l’arrangement (appelé texture) du renfort

- de la proportion relative des deux constituants

- de la qualité de la liaison entre le renfort et la matrice

- du procédé de fabrication employé

Page 33: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

33

1.2) Les composites carbone/carbone

Ce matériau d'abord développé dans l'aérospatiale est 5 fois plus léger et 2 fois

plus résistant que l'acier .

Dans les grandes écuries de course automobile, ce matériau est de nos jours très

présent. En effet, on développe de plus en plus des châssis en carbone. En réalité, il

s’agit actuellement de châssis en composites contenant des fibres de carbone

comme renfort. Elles sont associées avec une matrice qui est du carbone amorphe*.

Ce type de composite est appelé composite carbone/carbone.

La fibre de carbone (figure n°10) est une forme de graphite dans laquelle les

feuilles, formées de plans d'atomes de carbone liés en cycles hexagonaux, sont

longues et fines. On peut les imaginer comme des rubans de graphite. Des paquets

de ces rubans s'assemblent pour former des fibres, d'où le nom "fibres de carbone".

Figure 10 : Exemple de fibres de carbone

Les fibres de carbone se présentent comme n'importe quels tissus mais elles

peuvent être chauffées, leur procurant alors une incroyable solidité.

Il n’est pas question ici d’entrer dans le détail des technologies (fort complexes) de

fabrication de ces matériaux. Nous nous limiterons aux grands principes de

réalisation (voir figure n°11). Des filaments acryl iques de tergal ou de rayonne

(obtenus à partir de la distillation de houille ou de pétrole) sont oxydés à chaud

(300°C) puis chauffés à 1500°C dans une atmosphère d’azote. Il ne subsiste alors

que la chaîne hexagonale des atomes de carbone. On obtient alors des filaments

noirs et brillants.

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Figure 11 : Procédé de fabrication des composites carbone/carbone

La façon dont ces fibres sont disposées est très importante car les fibres jouent un

rôle primordial dans l'absorption des efforts et des forces subies par la monoplace

vers d'autres parties du châssis. La fibre est travaillée pour s'adapter exactement au

moule du châssis.

Figure 12 : Différents types de tissage

Page 35: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

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Le nombre de couches nécessaires diffère d'une zone à une autre, plus les pièces

sont soumises à des contraintes importantes, plus e lles auront de couches . Le

nombre moyen est d'environ douze couches.

Pour renforcer la rigidité, une couche en nid d'abeille d'aluminium est positionnée au

milieu des couches de carbone.

Les propriétés des composites carbone/carbone recherchées sont, outre la

faible masse volumique du matériau (entre 1,5 et 2 g/cm3), essentiellement des

propriétés thermomécaniques exceptionnelles se conservant jusqu’à des

températures de plus de 2000°C.

En effet, ces composites présentent :

- une bonne résistance à l’abrasion oxydante

- une bonne tenue aux chocs thermiques (passages possibles de la température

ambiante à plus de 2000°C dans les applications fre inage)

- un coefficient de frottement élevé

- une très grande conductivité thermique* : deux fois plus grande que celle de

l’acier)

Figure 13 : Résistance en traction en fonction de la température

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36

Propriétés des composites carbone/carbone (C/C)

Masse volumique (g /cm3).......................................................................... 1,4 à 2,0

Résistance en traction (MPa) ..................................................................... 60 à 700

Module de traction (GPa) ........................................................................... 15 à 380

Résistivité (en 10–3 Ω · cm) ....................................................................... 0,5 à 3,0

Coefficient de frottement :

À sec .......................................................................................................... 0,15

C/C contre acier lubrifié.............................................................................. 0,03

C/C contre C/C........................................................................................... 0,16 à 0,20

Tableau 1 : Propriétés des composites carbone/carbone (C/C)

Différents types de composites carbone/carbone ont été développés par l’industrie.

On trouve les composites carbone/carbone Haute Résistance (HR), Haut Module

(HM) et même les composites Très Haut Module (THR).

Caractéristiques Carbone HR Carbone HM Carbone THM

Masse volumique

(kg/m3) 1750 1810 1950

Module de

Young

(GPa)

220 400 600

Contrainte à la

rupture

(MPa)

3000-5000 2800 2000

Diamètre (µm) 8 8 8

Tableau 2 : Caractéristiques des différents composites C/C

Page 37: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

37

2) Le châssis en composite [15], [20], [21], [22]

2.1) L’évolution de l’utilisation des composit es

L’utilisation des matériaux composites dans l’automobile n’est pas un phénomène

récent. C’est à partir de 1980 que les Grands Prix ont connu un bouleversement

technologique lorsque les ingénieurs de l'automobile ont appliqué aux voitures de

course les connaissances de l'industrie aéronautique, en particulier celles

empruntées au programme spatial américain de la fin des années soixante et des

années soixante-dix.

En effet, les progrès dans la conception des ailerons amenèrent une augmentation

de l'appui au sol et les recherches en vue d'améliorer la rigidité du châssis

conduisirent les concepteurs à se tourner vers les matériaux onéreux de l'industrie

aéronautique : les composites. Malgré les quelques inconvénients associés aux

composites (que nous développerons par la suite), leurs énormes avantages de gain

de masse et de sécurité ont amenés les écuries à les utilisés de plus en plus; dans

un souci d’optimiser au maximum les performances des monoplaces.

Dans un premier temps (1980) on opta pour un châssis hybride

composite/aluminium : il s’agissait alors de panneaux d’aluminium en nid d'abeille

recouverts d'un matériau composite.

Dans les années qui suivirent, au regard de l’avantage majeur d’un matériau

composite, un pas de plus fût fait dans la conception des châssis : le châssis

entièrement en composite.

A l'époque, la plupart des concepteurs considéraient cela comme une solution peu

pratique, voire dangereuse.

Mais l’entreprise McLaren sentit l’énorme potentiel de ce nouveau matériaux et créa

la MP4/1 : la première voiture de course dont le châssis monocoque était

entièrement en matériau composite. Cette machine, révolutionnaire fut interdite par la

FISA et ne fut jamais utilisée en course.

Page 38: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

38

Ce n’est que quelques années plus tard que les voitures dotées de châssis en

composite furent autorisées pour devenir aujourd’hui le matériau prépondérant dans

le domaine de la course automobile.

Actuellement, avec l’amélioration continue des matériaux composites, les grandes

écuries ont recourt à des châssis en composites carbone/carbone (figures n°14 et

15). Ceci toujours dans une volonté de réduire de plus en plus la masse globale du

châssis mais également car les composites permettent de créer des formes

beaucoup plus complexes que les métaux, ce qui est un atout majeur dans

l’aérodynamisme.

Figure 14 et 15 : exemples de châssis en composite : la F1 championne du monde 2005 de Renault

(photographies réalisées le 9 mars 2006 à Maubeuge Construction Automobile)

Page 39: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

39

2.2) Les procédés industriels de mise en œuvre des

composites dans l’élaboration des châssis

Intéressons-nous aux différents procédés de mises en œuvre des composites dans

l’industrie. Il ne s’agit pas ici de dresser une liste exhaustive des différents procédés

de mise en œuvre des composites mais de s’intéresser aux procédés applicables

dans l’industrie automobile.

a) Moulage au contact

Ce principe de mise en œuvre est le plus ancien. On l’emploie pour des

matrices thermodurcissables du type polyester ou époxyde. Avant la pose des fibres,

le moule est enduit d’une sorte de vernis, le « gel coat ».

On dispose successivement dans le moule les armures (fibres) et la résine

(figure n°16). Après chaque couche, un débullage es t réalisé grâce au passage d’un

rouleau chassant les bulles d’air et permettant ainsi de mieux faire pénétrer la résine

dans les mailles des fibres, cela améliore l’homogénéité de l’ensemble.

Cette technique ne demande pas d’investissement (les machines utilisées ont un

faible coût et le moule peut être en bois, en plâtre, mais ne permet pas d’obtenir des

pièces ayant d’excellentes propriétés mécaniques.

Les caractéristiques finales dépendent de la qualité de la main-d’œuvre.

On peut disposer de la même façon les armures sur une mousse préalablement

découpée aux cotes exactes.

Figure 16 : Procédé de moulage au contact

Page 40: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

40

b) Moulage sous vide

L’imprégnation peut être réalisée comme pour le moulage au contact. On peut

aussi utiliser des produits pré-imprégnés. La technique consiste ensuite à faire le

vide entre une membrane déformable et le moule. Par ce procédé, on réalise un

compactage des différentes couches et on élimine correctement les résidus gazeux.

Ce dégazage peut être amélioré en intercalant entre le composite et la membrane un

tissu de drainage. On obtient ainsi des pièces reproductibles, présentant de bonnes

caractéristiques mécaniques.

c) Moulage sous pression

L’imprégnation est réalisée comme précédemment, la pression permet d’avoir

un excellent compactage, d’ajuster le taux de résine, d’avoir une très bonne

reproductibilité. Suivant la manière dont la pression est exercée, on aura les

procédés de fabrication suivants.

Figure 17 : Procédé de moulage sous pression

Page 41: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

41

• Moulage au sac en autoclave :

La pression est exercée par l’intermédiaire d’une membrane en insérant la pièce et le

moule dans un autoclave ; les produits volatils sont éliminés en faisant le vide entre

la membrane et le moule. Un tissu de drainage permet d’assurer le débullage de

façon uniforme. L’ajustement de la quantité de résine s’obtient par l’intermédiaire de

la pression, un tissu d’absorption récupérant la résine en excès. Ce procédé permet

d’élaborer des pièces reproductibles présentant de très hautes qualités mécaniques.

Ce mode de mise en œuvre est essentiellement utilisé pour réaliser des composites

hautes performances destinées à l’industrie aéronautique et spatiale ou aux sports

automobiles.

• Moulage à la presse :

La pièce est comprimée entre un moule et un contre-moule par l’intermédiaire d’une

presse ; dans cette technique, suivant la forme des pièces, l’élimination des produits

volatils ainsi que la pression exercée ne sont pas uniformes en tous les points de la

structure. Ce procédé n’est pas applicable pour des pièces de faible conicité, mais il

permet des cadences de fabrication intéressantes.

• Moulage à l’aide d’un mandrin expansible :

La pièce est drapée dans un moule. On insère ensuite, avant de fermer le moule, un

matériau expansible, un élastomère silicone par exemple dont le coefficient de

dilatation est 10 fois celui de l’aluminium. Le moule est mis en étuve et sous l’effet de

la température le mandrin expansible assure la pression. Il est nécessaire de calculer

la forme du mandrin pour ajuster la valeur de la pression appliquée.

Page 42: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

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d) Moulage par projection simultanée

Figure 18 : Procédé de Moulage par projection simultanée

Ce type de procédé est inspiré du moulage au contact. Les fibres alimentent un

coupeur qui les débite aux longueurs désirées, puis elles sont projetées sur le moule

entre les jets de résine afin que l’ensemble se dispose simultanément sur le moule.

Ici aussi, on se sert d’un rouleau pour chasser les bulles d’air. Après le durcissement,

on démoule la pièce ainsi réalisée. Ce type de fabrication permet d’obtenir des

cadences plus élevées que lors du moulage au contact. On peut également obtenir

des pièces plus grandes et réaliser des formes plus complexes, notamment en

variant l’épaisseur. Enfin, les fibres présentent une forme peu couteuse et les moules

employés restent peu onéreux.

Figures 19 et 20 : Exemples de Procédé de Moulage par projection simultanée

Page 43: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

43

Cependant, la méthode requiert une grande habileté de la part de l’opérateur qui est

à l’origine de la régularité de la projection et par conséquent des caractéristiques

mécaniques du produit. On remarque donc, de plus faibles caractéristiques que lors

du moulage au contact.

Ce procédé est employé dans les mêmes domaines que le moulage au contact mais

avec la possibilité de réaliser des pièces plus grandes (par exemple pour la

construction navale) .

e) Moulage par RTM (Resin Transfert Molding, Injection de résine liquide)

Il s’agit d’un moulage par injection basse pression de résine liquide,

couramment appelé procédé RTM (Resin Transfer Molding). La pièce est réalisée

par infiltration d’une résine thermodurcissable dans une ébauche fibreuse sèche,

placée dans un moule fermé.

On injecte une résine liquide dans le renfort, positionné au préalable dans

l’empreinte constituée par le moule et le contre-moule. Les fibres qui se présentent

généralement sous forme de mats sont imprégnées sous faible pression après

fermeture du moule, puis l’ensemble durcit. On peut activer le durcissement en

chauffant le moule à 80°C. On peut également faire le vide dans le moule lors de

l’injection de la résine, ce qui nécessite une bonne étanchéité des demi-moules.

Figure 20 : Procédé de moulage par RTM

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Ce procédé présente plusieurs avantages : les pièces réalisées sont de bons

aspects, c’est-à-dire lisses et réguliers, et les caractéristiques mécaniques sont

satisfaisantes. Les investissements en matériels et main d’œuvre sont assez faibles.

L’inconvénient principal de ce procédé vient du fait que les renforts ont tendance à

bouger lors de l’injection de la résine. De plus, la réalisation de pièces compliquées

est limitée et nécessite l’emploi de préformes en fibres.

Cette méthode est employée dans la construction navale, dans le domaine des

transports (habillage interne des véhicules, carrosseries).

Figure 21 : Exemple du procédé de moulage par RTM

f) Moulage par centrifugation

Cette technique consiste à introduire la résine et les fibres dans un mandrin tournant

entre 2000 et 5000 tours/minutes. La force centrifuge projette les matériaux contre la

paroi et assure le bon mouillage des fibres. L’ensemble est ensuite porté en étuve

afin d’assurer la polymérisation de la résine. Ce procédé convient parfaitement à la

production de corps creux cylindriques ou légèrement coniques. Il est aussi possible

de disposer des mats et des tissus à l’intérieur du mandrin. Enfin, le démoulage de la

pièce est simplifié par le retrait de durcissement.

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45

Figure 22 : Procédé de moulage par centrifugation

Cette méthode permet de réaliser des pièces de grande dimensions, de bel aspect,

d’épaisseur régulière et possédant une très bonne étanchéité. De plus, il est possible

de réaliser des pièces à structure sandwich par garnissages successifs.

Toutefois les formes sont limitées à des pièces de révolution simple et toute

irrégularité de forme entraîne des variations d’épaisseur et de teneur en fibre. Les

machines employées doivent être précises et parfaitement équilibrées, ce qui

implique un investissement élevé et de faibles cadences.

On utilise ce moyen pour fabriquer des canalisations, des tubes, des mats de

bateaux….

Usinage et assemblage : l’usinage des composites s’effectue généralement sans

difficulté. On utilise habituellement des outils à pointe de carbure de tungstène ou

des outils diamantés pour le perçage. L’ébarbage, le sciage et le meulage

s’effectuent avec des fraises ou des disques diamantés. Afin de limiter les poussières

volantes, cet usinage s’effectue soit avec projection d’eau sur l’outil, soit avec une

gaine aspirante. On utilise également des procédés d’usinage par découpe au jet

d’eau ou au rayon laser. L’assemblage s’effectue le plus souvent par collage, après

ponçage des parties à assembler. Les adhésifs sont à base de polyuréthanne, de

résines acryliques ou époxydes.

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46

3) Avantages et inconvénients des composites [17]

L’utilisation des composites dans l’automobile de course apporte un réel gain de

masse et d’autres avantages techniques, cependant elle présente également des

inconvénients.

3.1) Inconvénients

A priori, de part leurs caractéristiques intrinsèques, les ma tériaux composites , à

matrices thermoplastiques et/ou thermodurcissables, présentent trois handicaps

majeurs à être utilisé dans le domaine automobile par rapport aux matériaux

métalliques :

- un prix au kilogramme souvent plus élevé . Bien qu’il soit difficile de prendre en

compte les coûts de la main d’œuvre, de la quantité réelle de matière engagée, des

équipements, des outillages et des frais généraux ; en 2002 on estime le prix du

kilogramme des composites s’établissant à 1128 euros par tonne à l’import et à 1056

euros par tonne à l’export.

- des procédés de mise en œuvre des pièces finies souvent lents .

Ces deux points étant défavorables à une production de masse contrairement à

l’acier.

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3.2) Avantages

En contrepartie de ces quelques inconvénients, les matériaux composites possèdent

des avantages importants tels que :

Une densité faible, en comparaison avec les matériaux les plus utilisés dans la

conception des châssis de voiture de course : l’acier et l’aluminium.

Matériau Acier Aluminium Composites

Densité 7,8 2,7 Entre 1 et 2

Une meilleure sécurité : Les matériaux composites vont participer à l’amélioration

de la sécurité des véhicules grâce à leur destruction progressive et donc à leur

capacité d’absorption progressive d’énergie (Figure n° 22). Ceci permettant une

amélioration de la résistance au crash (choc à grande vitesse) des véhicules et la

réduction de leur agressivité vis à vis des autres véhicules.

Figure 23 : Capacité d’absorption des matériaux composites

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Les matériaux composites sont très résistants à la fatigue*.

Figure 24 : Résistance à la fatigue

Des technologies de mise en œuvre par moulage (injection ou compression) qui

limitent la quantité de matière engagée au juste nécessaire et compensent ainsi le

coût de la matière de base au kilogramme. En effet, à l’aide des composites il est

possible de fabriquer des pièces complexes en un seul tenant, ce qui lui confère un

avantage face à l’acier : l’utilisation des composites réduit très fortement le

nombre de pièces à assembler.

De plus ces procédés offrent la possibilité d’obtenir des formes beaucoup plus

complexes qu’avec l’acier.

Les composites ne se corrodent pas . Et ils sont insensibles aux produits

chimiques courants dans l’automobile (graisses, peintures, solvants…).

Un comportement acoustique souvent favorable.

Nous pouvons regrouper différentes caractéristiques des composites en les

comparant avec les autres matériaux utilisés dans la conception des châssis.

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Figure 25 : Caractéristiques comparées de différents matériaux utilisés dans l’automobile

Ces différents avantages font des composites des matériaux concurrentiels aux

matériaux métalliques , notamment l’acier. En effet, à l’heure actuelle (2006) il est

possible d’obtenir des composites dont les caractéristiques mécaniques sont

équivalentes à l’acier, tout en étant très nettement plus légers.

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50

4) Conclusion de la deuxième partie

Comme nous venons de le voir, l’utilisation des nouveaux matériaux dans la

réalisation des châssis de voiture de course a permis d’atteindre des performances

jusqu’alors impossibles; notamment au travers de la réduction de masse.

Cependant, en règle générale, les innovations réalisées dans les secteurs de

pointe finissent par trouver leurs applications dan s le domaine de l’industrie

grand public.

L’automobile obéit également à cette loi. Et en ce qui concerne la conception des

châssis de voiture de course, les différentes avancées effectuées se sont

répercutées dans le secteur de l’automobile de tourisme : notamment en ce qui

concerne la réduction de masse du châssis.

Contrairement au domaine de la compétition où le gain de masse est utilisé afin

d’améliorer les performances, au sein de l’automobile grand public, la réduction de

masse des châssis s’inscrit dans une véritable politique environnementale.

C’est pourquoi, dans cette dernière partie, nous étudierons quelles ont été les

conséquences, sur l’automobile grand public, des pr ogrès technologiques

effectués sur les châssis dans la course automobile et comment ces progrès

s’inscrivent dans la politique environnementale actuelle.

Nous verrons au travers de ceci quelles sont les li mites de l’utilisation des

matériaux composites dans l’automobile grand public , comme dans

l’automobile de course.

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Partie III

________________

L’avenir et la limite de l’utilisation des composit es

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1) L’aspect environnemental [12]

Toute activité humaine pollue. Dans l’optique du développement durable, il ne

s’agit pas de cesser toute activité, mais de minimiser l’impact de cette

activité sur l’environnement.

Il vaut mieux prévenir que guérir et cette prévention doit être effectuée tant qu’il

en est encore temps, avant que tout ne soit figé et irréversible, donc en amont

de l’action, au moment de la conception d’un produit .

1.1) La politique de l’allégement

Au cours des années, le poids moyen des voitures de tourisme n’a cessé

d’augmenter. Ceci s’explique d’une part par la création de voitures de plus en plus

grandes en termes de dimensions, mais aussi par l’apparition de très nombreux

équipements qui n’existaient pas encore voici 15 ans. On peut citer l’ajout : de

l’airbag : 1,5 à 3,5 kg, du compresseur de la climatisation : 7 kg, du moteur lève

vitre : 0,8 kg ou même de l’ABS: 1,6 kg.

En Europe, par exemple, de 1998 à 2004, le poids moyen des véhicules a augmenté

de 1178 à 1292 kg (+9,67%), et la puissance des moteurs de 69 à 81 KW (+17,4%).

Or, quel que soit le véhicule, la consommation est étroitement liée à la

masse déplacée. Donc pour réduire la consommation des moteurs, à

puissance égale, il faut diminuer la masse des véhi cules.

La réduction de cette dernière devient un objectif prioritaire.

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En effet, les directives de l'Union Européenne sur les émissions de gaz à effet de

serre (GES) conditionnent toute la Recherche et Développement (noté R&D) sur les

allégements et l'utilisation de matériaux plus légers. La filière automobile, principale

émettrice de GES, est concernée au premier chef. Pour la France, les émissions de

CO² ont totalisé 150 Mt pour l’ensemble des véhicules en 2000.

L'objectif à atteindre pour 2008 sera de 140g de CO²/km (5,6 litres/100 km) pour un

véhicule à essence. En 2012, il devra passer à 120g de CO²/km (4,8 litres/100 km).

De gros progrès sont donc nécessaires sachant qu’actuellement ce taux est de 169g

de CO²/km (7 litres/100 km).

De ce fait, autour de la voiture, une bataille colossale est en cours, diminuer le

poids des véhicules pour diminuer la consommation de carburant est donc devenu

un objectif majeur des constructeurs. En effet, réduire la consommation de carburant

s'impose par tout moyen : rendement moteurs, aérodynamisme, frottements et

surtout par des allégements matière car on considère que 75% de la consommation

de carburant d’un véhicule est directement liée à son poids.

Les constructeurs ont calculé qu'un gain de 10 % sur le poids d'une voiture

permettait de diminuer la consommation d'environ 5 % en moyenne et de 10 % en

ville. De manière plus concrète : un allégement de 100 kg s'accompagne d'un gain

de consommation moyen de 0,4 litre/100 km (en fait 0,2 à 0,7 litre/100 km selon le

véhicule et la conduite en ville ou route), c'est à dire une moyenne de 5g de CO2/km.

Le plastique et l'aluminium peuvent être utilisés dans ce but car ils apportent une

diminution de poids appréciable. Cependant comme nous l’avons vu dans la partie 2,

les matériaux composites offrent un meilleur gain de masse.

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55

Figure 26 : Utilisation des matériaux composites pour les voitures de tourisme

Mais cette politique de l’allégement a un prix : les gains de masse deviennent donc

rapidement de plus en plus difficiles et ils se font kg par kg avec des coûts de R&D

de plus en plus élevés.

Au-delà de cette vision à courte échelle de la poll ution directe d’un véhicule,

les constructeurs se doivent également d’en évaluer l’impact sur

l’environnement pendant la totalité du cycle de vie du produit : de la

conception à l’élimination. Car effet, on ne peut p as parler d’un matériau sans

en étudier l’impact sur l’environnement.

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1.2) Le recyclage et le respect de l’environne ment

La proportion de matières plastiques et de composites dans l'automobile ne cesse

d'augmenter. Elle représente actuellement environ 12% du poids d'un véhicule. Ce

développement est notamment dû aux exigences du marché auxquelles ces

matériaux ont su répondre: diminution de la consommation en carburant, esthétique,

confort, sécurité.

Mais ces matériaux, notamment les composites sont difficilement recyclables. Ceci

est dû à leur grande variété, à leur faible niveau de compatibilité chimique, à la

présence de charges, additifs et à la difficulté de mettre en place des procédés pour

leur valorisation.

Dans le cas des composites, il existe deux grandes voies pour les recycler : cela

dépend en effet du type de composite que l’on rencontre.

Les composites à matrice thermoplastique ne posent pas de gros problèmes : on

peut les rebroyer, les reformuler et les réutiliser soit par remoulage direct, soit par

addition avec du polymère vierge.

Il n’en est pas de même pour ceux à matrice thermodurcissables dont la

transformation est irréversible (et la mise en décharge de plus en plus onéreuse,

voire à terme interdite). Une solution est de les rebroyer et à utiliser les produits

résultants comme charges, mais ce système conduit à sa propre limite et le faible

prix des charges classiques rentabilise mal l’opération. Il est néanmoins toujours

possible de les éliminer par combustion, la résine rend alors une partie de son

énergie de constitution.

Sous l’impulsion des législations françaises et européennes, le traitement des

déchets de matières plastiques est devenu une préoccupation de tout premier plan,

pour les industriels

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57

En effet, la directive européenne 2000/53/CE relative au traitement des Véhicules

Hors d'Usage (VHU) donne les objectifs suivants:

- 85% de la masse des véhicules devra être valorisable en 2005 dont 80% par

recyclage des matériaux

- 95% de la masse des véhicules devra être valorisable en 2015 dont 85% par

recyclage des matériaux

Pour atteindre ces objectifs, les constructeurs devront donc prendre en compte dès

la conception la réutilisation et le recyclage de l'ensemble des matériaux.

Ils devront alors justifier de solutions fiables et satisfaisantes notamment pour

les composites face aux autres matériaux.

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58

2) L’aspect économique [17], [18], [19]

Le taux de croissance des matériaux de synthèse, après avoir connu une allure

exponentielle dans les années 1960 à 1980 s’est ralenti, mais il reste encore très

élevé et de nouveaux développements sont attendus car on demeure encore loin de

la phase de saturation.

Figure 27 : Evolution de la production de différents matériaux

Outre le fait qu’on ne revient pas sur des substitutions réussies, même une

nouvelle crise pétrolière n’aurait que peu d’effet sur ces polymères qui ne

consomment en fait que 5 % du pétrole (position qui reste marginale face aux

transports et au chauffage environ 80 %).

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59

Les composites de synthèse ne représentent, en masse, que 5 % des plastiques

mais de l’ordre de 10 % de ceux-ci en coût (forte valeur ajoutée).

Sous la pression écologique actuelle, on a trop tendance à oublier les atouts

spécifiques apportés par les plastiques, en particulier, la baisse de coût drastique

qu’ils ont permis de réaliser dans les industries de grandes séries comme par

exemple l’automobile. Ceci grâce à la possibilité de pouvoir réaliser, souvent en une

seule opération, un produit fini multifonctions, léger, rigide ou souple, avec une large

possibilité de formes, dans des conditions économiques satisfaisantes.

3) Difficultés technico-économiques [14]

En tant que nouveaux matériaux (en comparaison à l’acier par exemple), l’utilisation

des matériaux composites est soumise à des contrain tes techniques et

économiques. Ces contraintes se caractérisent par des insuffisances dans les

domaines suivants:

- une acquisition de données physiques de base fiables et utilisables dans les

modèles de simulation et, ce, particulièrement pour les matériaux nouveaux tels que

les composites

- une connaissance des lois de comportement des matériaux, comme par exemple

une modélisation de choc à grande vitesse

- une prédiction de la durabilité du matériau : résistance aux intempéries, à la fatigue

et à l’endommagement

- une automatisation et une fiabilisation des procédés de mise en œuvre

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- une maîtrise des modes d’assemblage « multi matériaux ». Le collage est le moyen

le plus adapté aux matériaux composites. Bien que de très grands progrès aient été

réalisés à la fois sur les produits et leur mise en œuvre, il n’en reste pas moins que la

confiance dans un assemblage collé ne se base bien souvent que sur l’essai réel de

validation

- une maîtrise des techniques de réparabilité en après-vente

- une maîtrise d’une visibilité à long terme des prix des matériaux et de leur

fluctuation

4) Difficultés culturelles [12]

Bien que nous basions l’ensemble de nos comparaisons sur des critères techniques

ou économiques, l’utilisation de matériaux composites dans l’élaboration des châssis

de voiture de course (comme de tourisme) est soumise également à des difficultés

culturelles.

La « culture acier » est encore largement ancrée chez les constructeurs. En effet,

bon nombre d’industriels refusent d’utiliser les matériaux composites par simple refus

du changement. Il ne s’agit pas de cas isolés, en réalité il existe une véritable

guerre que se livre les producteurs d’acier et de c omposites.

Un autre point à soulever : pour tout nouveau concept le processus d’introduction

de l’innovation est lent et progressif.

De plus l’automobile est un produit de grande diffusion, fabriqué en grande série

ce qui génère une inertie importante liée aux investissements déjà présents ou à

faire, des investisseurs parfois retissant à innover.

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61

5) Conclusion de la troisième partie

Bien que dans le domaine de la course automobile, les aspects environnementaux

ne sont pas au centre des préoccupations des écuries, on ne peut parler d’un

matériau sans en évoquer les conséquences de son utilisation. Et comme nous

venons de le voir, l’utilisation des matériaux composites dans l’indus trie

automobile peut présenter certains problèmes .

D’un point de vue technologique ces matériaux nécessitent l’emploi de procédés

complexes. De plus, ils sont désormais en compétition constante avec les

matériaux métalliques dont les propriétés et les procédés de mise en œuvre ne

cessent d’évoluer.

Ces deux points constituent les deux principaux freins à l’utilisation des composites,

que se soit dans le domaine de la course ou de l’industrie.

En revanche, les composites restent l’avenir de la conception automo bile tant

pour la course que pour l’industrie.

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CONCLUSION ________________

La compétition automobile est un domaine d’évolution permanente, en effet elle

constitue un secteur de pointe où les meilleures innovations de chaque époque sont

employées.

Au sein de la course automobile, le châssis occupe une position déterminante, car il

influe énormément sur les possibilités de la voiture. C’est pourquoi, la volonté

d’optimiser au maximum les performances des véhicules a amené les écuries à se

doter des meilleures matériaux possibles : les composites.

Actuellement, ces matériaux extrêmement performants sont de plus en plus

présents.

Cependant, la course automobile est un véritable terrain d’essai pour l’industrie

automobile. De ce fait, tôt ou tard, les innovations réalisées par les écuries trouvent

leurs applications dans l’industrie. Il en est de même pour les châssis en composite :

malgré les difficultés et les réticences, ils sont l’avenir de l’automobile.

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REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

________________

Site Internet

[1] FTM Studio. (page consultée le 18 Novembre 2005).Car Body Design, [En ligne].

http://www.carbodydesign.com/

[2] MECHANICAL ENGINEERS, The American Society of Mechanical Engineers.

(page consultée le 24 Novembre 2005). Magazine online, [En ligne].

http://www.memagazine.org/index.html

[3] CSC Racing Products. (page consultée le 24 Novembre 2005).Chassis-US, [En

ligne]. http://www.cscracing.com/chassis.htm

[4] AUTOZINE. (page consultée le 30 novembre 2005). Different Types of Chassis,

[En ligne]. http://www.autozine.org/technical_school/chassis/tech_chassis.htm

[5] ACPT, Advanced Composite Products and Technology, Inc. (page consultée le 17

Décembre 2005). Composite Driveline Technology Report, [En ligne].

http://www.acpt.com/driveshaft/driveshafts.html

[6] ALL 4 ENGINEERS. (page consultée le 8 janvier 2006). Porsche Carrera GT - A

Strong Character, [En ligne].

http://www.all4engineers.com/index.php;sid=19/site=a4e/lng=en/do=show/alloc=33/id

=42

[7] GALAXIE F1. (page consultée le 28 janvier 2006). Matériaux Composites, mode

d’emploi. [En ligne]. http://www.galaxie-f1.com/

[8] PLASTIMA. (page consultée le 28 janvier 2006). Les techniques.- [En ligne].

http://www.plastima.fr/

Page 66: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

66

[9] WABASHMPI. (page consultée le 3 février 2006). Special applications. [En ligne].

http://www.wabashmpi.com

[10] STAND F1. (page consultée le 3 février 2006). 50 ans d’évolutions en Formule 1.

[En ligne]. http://www.standf1.org/

[11] F1 LEGEND. (page consultée le 8 février 2006). Evolution de la technique en

formule 1. [En ligne]. http://www.f1-legend.com/

Ouvrage :

[12] GAY D. Matériaux composites (cinquième édition révisée). - édition Lavoisier –

602p

[13] JACQUINET P. .- Utilisation des matériaux composites.- Paris : Hermès, 1991.-

102p.

[14] BERREUR L., DE MAILLARD B., NOSPERGER S. - L’industrie française des

matériaux composites.- Ministère de l’industrie et des finances, 2002.

Article de Périodique :

[15] BARNARD J. .-La révolution carbone. Formula 1 MAGAZINE, 2001, Septembre,

p72.

Document audiovisuel :

[16] GOURMAUD J., COURANT F. .-C’est pas sorcier : les voitures de course, les

sorciers ont la formule. - production Riff International - .

Page 67: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

67

Document en format PDF :

[17] GIOCOSA A. - Les composites dans l’industrie automobile - Techniques de

l’ingénieur – 9p

[18] REYNE M. - Composites : Aspects économiques - Techniques de l’ingénieur -

6p

[19] REYNE M. - Aspects technico-économiques de l’utilisation des plastiques -

Techniques de l’ingénieur – 12p

[20] BARRAU J-J. - Structures en matériaux composites - Techniques de l’ingénieur -

24p

[21] LUYCKX J. - Fibres de carbone - Techniques de l’ingénieur – 19p

Projet Ecole des Mines de Douai :

[22] Elèves de FI 3A et FCD promo 2005 - Projet Météora SP – 82p

Page 68: ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE - cdoc.ensm-douai.fr

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GLOSSAIRE ________________

Amorphe : se dit d'une substance minérale non cristallisée, c'est à dire ne

possédant pas de structure atomique ordonnée.

La conductivité thermique est une constante thermophysique caractérisant le

comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction.

On entend par fatigue ou endommagement par fatigue, la détérioration de la

résistance des matériaux consécutive à des cycles d’efforts.

Un monomère est un composé constitué de molécules pouvant chacune conduire

à un ou plusieurs atomes (ou groupe d’atomes).

Un polymère est un matériau composé de longues chaînes moléculaires appelées

macromolécules. Une macromolécule étant une molécule de masse molaire élevée

(supérieure à 5000 g/mol). Elles sont constituées d’une répétition consécutives

d’atomes (ou de groupes d’atomes) liées les unes aux autres en nombre suffisant

pour entraîner une série de propriétés qui ne varient pas d’une façon significative par

addition ou suppression d’un ou plusieurs atomes (ou groupes d’atomes).

Une polymérisation est un processus de conversion d’un monomère ou d’un

mélange de monomères en polymère.

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