La voiture du futur - 29/04/2007

Diminuer le poids des véhicules est devenu l'un des objectifs majeurs des constructeurs automobiles en vue de réduire la consommation en carburant. De nombreux matériaux légers tels que l'aluminium, le magnésium et certains plastiques sont de plus en plus souvent utilisés au côté de l'acier.

Certains leaders de l'industrie de l'acier, comme Arcelor, ont mis au point des matériaux spéciaux permettant un allègement de 20 à 40% des aciers produits aujourd'hui. Notamment grâce à la métallurgie des poudres. Cette technique consiste à agglomérer des pièces par compression et à les fritter à haute température à partir de poudres métalliques pulvérisées. Son intérêt par rapport aux autres techniques de fonderie réside dans la simplicité de fabrication sans perte de matière, dans la possibilité de fabriquer des pièces poreuses et dans la capacité de réaliser des alliages semi-métalliques très difficiles à obtenir en métallurgie classique. Dans le domaine des alliages d'aluminium, Alcan nous prépare des matériaux susceptibles d'apporter des allègements plus importants que les aciers spéciaux tout en restant compétitifs.

Aujourd'hui, ils sont en effet nettement trop chers et compliqués à travailler. Ils ne concernent donc pour l'instant que des voitures haut de gamme. Outre ces matériaux, de nombreuses recherches sont en cours sur le magnésium, 36% de fois plus léger que l'acier, et le polycarbonate dont l'objectif est de réduire le poids des surfaces vitrées de moitié (pare-brise, vitres). La fabrication de matériaux composite offre la possibilité de répondre à ces besoins de matériaux légers. Notamment à l'aide du moulage par transfert de résine qui consiste à injecter à basse pression une résine thermodurcissable à travers un renfort fibreux retenu dans un moule rigide et fermé.

Entretien avec le Dr. Carl Blais, Université Laval -Département de génie des mines, de la métallurgie et des matériaux, membre du réseau Auto21* .

« Les composites permettront de conserver les propriétés mécaniques de l'acier tout en allégeant de 25% le véhicule ».

Futura Sciences : Quels sont les matériaux que l'on est susceptible de voir bientôt dans la composition de nos voitures ?

Carl Blais : Il ne fait aucun doute que la prochaine vague de matériaux à percer à grande échelle le marché automobile sera celle des matériaux composites (matrices organiques + renforts fibreux de type verre, carbone, aramide) et carbone/carbone. L'approche vise principalement à tirer profit des propriétés spécifiques (résistance/densité) de ces matériaux pour réduire le poids des véhicules et ainsi les rendre plus performant au niveau de la consommation d'essence. Parmi les principales parties d'un véhicule qui sont visées par un tel remplacement on retrouve: le châssis, le plancher, les freins et les pare-chocs. Il va sans dire que ces démarches s'appliquent aussi bien aux véhicules de randonnée qu'à ceux dédiés au transport en commun.

Surfaces de frottement de matériaux composites C-C, observées par microscopie optique en lumière polarisée et lame teintante. Travaux effectués dans le cadre du programme "Friction des matériaux composites carbone-carbone"
Laboratoire: UPR9069 - Institut de chimie des surfaces et interfaces (I.C.S.I) - Mulhouse
© BRENDLE Marcel - CNRS Photothèque/ICSI

Futura Sciences : L'utilisation de matériaux légers est-elle une nécessité aujourd'hui ?

Carl Blais : Les questions environnementales et sociales mettent de plus en plus de pression sur les fabricants d'automobile afin qu'ils réduisent les émissions de gaz à effet de serre, minimisation du smog urbain, etc. À ce titre, le poids des véhicules est l'une des principales caractéristiques affectant la quantité d'émissions. Dès lors, il est impératif de se tourner vers le poids des matériaux utilisés afin d'améliorer cette caractéristique des véhicules. De façon pratique, les matériaux composites permettent typiquement de conserver les propriétés mécaniques de l'acier tout en diminuant de 25% le poids d'un assemblage.

Caractérisation thermomécanique de matériaux composites. Machine d'essais de fatigue à 1400∞C sous air.
Laboratoire: UMR5801 - Laboratoire des composites thermostructuraux (LCTS) - Pessac
© MEDARD Laurence - CNRS Photothèque

Futura Sciences : Vous travaillez plus précisément sur la métallurgie de poudres ?

Carl Blais : Oui. Car les pièces en acier fabriquées grâce à des procédés de métallurgie des poudres « M/P » sont de plus en plus nombreuses, à cause des coûts de production réduits permis par cette technologie. Mais son utilisation a tendance à se limiter aux éléments non structuraux du moteur. Pour étendre la gamme de pièces pouvant bénéficier de cette technologie, les chercheurs étudient des façons d'accroître les propriétés mécaniques statiques et dynamiques des éléments ferreux M/P fabriqués par pressage axial et frittage au four. Les chercheurs concentrent leurs efforts sur la mise au point de nouveaux alliages ferreux M/P (des poudres M/P faiblement alliées) pour améliorer les propriétés mécaniques, particulièrement la résistance à la fatigue.

Cela inclut des nouveaux aciers M/P atomisés à l'eau, combinés avec des éléments d'alliage ajoutés, afin d'optimiser la formulation chimique ultime pour améliorer les propriétés mécaniques, tout en minimisant la diminution de compressibilité découlant de la présence de ces éléments d'alliage. Dans des laboratoires et des installations industrielles, des échantillons normaux de poudres et de pièces M/P basées sur les nouvelles formulations ainsi perfectionnées seront fabriqués, pour s'assurer que les poudres choisies conviennent à des opérations de compression et de manutention industrielle.

Le projet étudie aussi les composantes M/P à base d'aluminium, car elles peuvent aider à réduire le poids des véhicules. Les matériaux conventionnels à base d'aluminium ne sont pas encore utilisés d'une manière généralisée dans la production de masse d'éléments structuraux pour les moteurs, pour lesquels un contrôle dimensionnel serré est obligatoire. On peut toutefois éviter ce scénario en faisant appel aux capacités de forgeage qu'offre la métallurgie des poudres d'aluminium. La croissance des technologies basées sur la M/P a été retardée par le fait qu'à l'heure actuelle, on ne peut obtenir commercialement que deux alliages d'aluminium M/P pour le pressage et le frittage. La gamme correspondante de propriétés physiques et mécaniques est limitée et, par conséquent, les utilisations possibles sont peu nombreuses. Les chercheurs affiliés au projet ont l'intention de surmonter cet obstacle et de mettre au point de nouveaux alliages d'aluminium M/P basés sur les systèmes Al-Si, Al-Cu et Al-Fe. On va explorer d'autres alternatives pour développer des matériaux à la fois innovateurs et technologiquement évolués. Les alliages qui auront fait leurs preuves en laboratoire serviront à la fabrication de prototypes et seront soumis à des évaluations sur un banc d'essai spécial.

Futura Sciences : Pourquoi l'acier est-il encore le matériau le plus utilisé par l'industrie automobile ?

Carl Blais : Les coûts. En effet, la disponibilité des aciers par rapport aux matériaux composites est d'environ 500 pour 1. De plus, la connaissance du matériau, le savoir faire qui lui est associé, la confiance des ingénieurs dans son utilisation sont autant de paramètres qui font nettement pencher la balance vers l'utilisation des aciers. Qui plus est, le monde de l'acier n'est pas assis les bras croisés à regarder le marché des matériaux composites lui ravir d'importantes parts de marché. En effet, les dernières années ont vu apparaître de nouveaux types d'acier tels les aciers micro-alliés, les aciers TRIP et TWIP qui présentent des propriétés mécaniques nettement améliorées. Ces derniers permettent ainsi de diminuer les poids des structures sans avoir à changer les chaînes de fabrication et de montage. En résumé, les aciers sont peu coûteux, sont facilement disponibles et leurs propriétés de même que leurs méthodes de mise en œuvre sont très bien connues.

*Auto21 regroupe 230 chercheurs canadiens de 37 universités et 110 partenaires industriels et du gouvernement. Un budget annuel de 12 millions de dollars, (provenant du gouvernement fédéral et de l'industrie), finance des projets de recherche répartis dans les six thèmes autour de l'automobile.

Caractérisation thermomécanique de matériaux composites.
UMR5801 - Laboratoire des composites termostructuraux (LCTS) - Pessac
Machine d'essais de fluage à 2000∞C sous gaz neutre.
© MEDARD Laurence - CNRS Photothèque

Pour en savoir plus :

• Sur Internet :

http://www.vrr.ulaval.cça/bd/chercheur/fiche/1224350.html
http://www.auto21.ca/home_f.html

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