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La BMW i3 adopte des matières plastiques renforcées par fibres de carbone (PRFC)

Pour compenser le surpoids des composants électriques, la BMW i3 électrique sur la construction légère et une utilisation innovante des matériaux choisis.

L’habitacle de la BMW i3 est réalisé essentiellement en matière plastique renforcée par des fibres de carbone (PRFC en abrégé).

La mise en œuvre à grande échelle de ce matériau high-tech à la fois léger et résistant en cas de collision est unique dans la construction automobile de grande série.

L’emploi généralisé du PRFC a été considéré jusqu’ici comme trop cher et sa transformation et sa fabrication comme trop longues et trop peu flexibles.

D’une manière générale, la fabrication de structures de carrosserie en PRFC est aujourd’hui limitée à des véhicules spéciaux, à des bolides de course et à quelques voitures de sport extravagantes. Construits en petit nombre, le coût et le temps de production sont ici plutôt secondaires.

C’est à partir d’une fibre textile thermoplastique de polyacrylonitrile, appelée précurseur, que les fibres de carbone sont fabriquées à Moses Lake aux États-Unis dans une usine ultramoderne.

Tout d’abord, tous les éléments de la fibre textile sont soumis à un procédé complexe sous gaz comprenant plusieurs étapes pour être dissociés jusqu’à obtenir une fibre de structure graphitique stable constituée de carbone quasiment pur. Son diamètre n’est que de sept micromètres (0,007 millimètre). À titre de comparaison : un cheveu d’homme fait environ 50 micromètres.

Pour l’utilisation dans la construction automobile, quelque 50 000 filaments individuels sont ensuite regroupés en stratifils, également appelés « rovings » ou « heavy tows », qui sont à leur tour embobinés pour le traitement ultérieur.

Outre les applications automobiles, les assemblages de fibres de sept micromètres d’épaisseur sont aussi utilisés pour les grandes pales des rotors d’éoliennes.

Les stratifils produits à Moses Lake sont transformés en des mats textiles légers sur le deuxième site de Wackersdorf.

Contrairement à des tissus, les fibres ne sont pas entrecroisées ou tissées, mais disposées à plat les unes à côté des autres. Dans un tissu, les fibres seraient tordues, ce qui réduirait en partie leurs propriétés. C’est l’orientation des fibres dans le mat qui confère ses qualités au composant qu’il formera.

Les mats de fibres de carbone fournis par Wackersdorf sont transformés en pièces de carrosserie en PRFC dans les ateliers de fabrication BMW de Landshut et de Leipzig. À Landshut, les spécialistes BMW ont réussi au cours des dix dernières années à perfectionner et à automatiser le procédé de fabrication des composants PRFC afin de permettre  une production en grande série non seulement de haute qualité mais aussi économique et très fiable. Les toits des modèles BMW M3 et M6 ainsi que les supports de pare-chocs de la BMW M6 sont réalisés à Landshut en PRFC selon un procédé industriel.

L'atelier d’emboutissage et de moulage de l’usine BMW de Leipzig fait appel à la technologie la plus moderne qui soit pour l’utilisation de PRFC dans la construction automobile. BMW produit ses propres composites à fibres de carbone dans une installation dimensionnée pour une production industrielle à grande échelle.

Dans cet atelier, la formulation, soit la composition, la résistance et la géométrie des composants PRFC, peut à tout instant être modifiée et adaptée individuellement pendant le processus de fabrication, en fonction des consignes données par les concepteurs.

Dans le processus dit de préformage, le mat de fibres de carbone découpé d’abord mis en forme. Un outil chauffant confère sa forme tridimensionnelle stable aux mats stratifiés.

Ensuite, plusieurs préformés bruts peuvent être assemblés pour former un composant plus grand. Cela permet par exemple de réaliser des pièces de carrosserie de grandes dimensions qu’il serait difficile de fabriquer en aluminium ou en tôle d’acier.

Après la confection et le préformage, suit l’application de résine sous haute pression selon la technologie RTM (Resin Transfer Moulding ou moulage par injection). Ce procédé connu de l’aviation et de l’aérospatiale, ainsi que de la construction de bateaux et d’éoliennes, consiste à injecter de la résine liquide sous haute pression dans les préformés bruts. Le matériau doit sa rigidité et ses excellentes propriétés à la liaison se formant entre les fibres et la résine et au durcissement consécutif.

La presse maintient ensuite le moule en position fermée avec une force allant jusqu’à 4 500 tonnes, suivant des paramètres de température, de pression et de temps exactement définis, jusqu’à ce que la résine forme une liaison intime avec le durcisseur et qu’elle soit entièrement durcie.

Grâce à ce procédé de fabrication spécifique à BMW, il est possible de faire l’impasse sur une longue étape de durcissement supplémentaire, qui se déroule normalement dans un four séparé placé en aval de l’étape de compression du PRFC.

Les nouveaux composants en composite PRFC produits dans le nouvel atelier de moulage de Leipzig, ainsi que les pièces en PRFC fournies par l’atelier de moulage de Landshut, sont assemblés dans le hall de construction des caisses.

Le corps de base de l'habitacle d’une BMW i3 (module Life) prend naissance à partir d’environ 150 éléments, soit un tiers de moins que dans une conception conventionnelle en tôle d’acier. Toutes les pièces sont assemblées selon des méthodes de collage modernes, automatisées à 100 pour cent. Lors du processus d’assemblage, les différents composants sont joints sans contact, avec un joint de collage de 1,5 millimètre afin de garantir une tenue optimale après le collage. Avec cette méthode de fabrication, toutes les pièces de raccordement ont la même distance les unes par rapport aux autres dans le module Life si bien que la quantité de colle appliquée est partout la même. Cette précision permet de garantir une transmission parfaite des efforts parmi les différents composants PRFC. Il en résulte pour chaque BMW i3 un cordon de colle exactement défini de 160 mètres de long pour 20 millimètres de large.

Pour comprimer le laps de temps du durcissement des assemblages collés pour la production de la BMW i3 en grande série, BMW a réduit le temps de durcissement de manière spectaculaire.

La colle de conception nouvelle ne peut être traitée que lors des 90 secondes suivant son application, avant qu’elle ne prenne. Au bout d’une heure et demie, elle aura durci. Soit dix fois plus vite qu’une colle conventionnelle. Pour raccourcir encore plus de temps de durcissement et le limiter à quelques minutes seulement, BMW a mis au point un processus thermique supplémentaire. À cet effet, certains points sur les pièces en PRFC à coller sont chauffés pour accélérer encore le processus de durcissement d’un facteur de 32.

BMW garde la main sur toutes les opérations du processus, depuis la production des fibres jusqu’au recyclage des fibres et des composites. BMW a développé un concept de recyclage unique au monde pour les composants PRFC.

Lors du retraitement de fibres de carbone, on fait la distinction entre recyclage de matériau « sec », non résiné, et de matériau composite (PRFC) « humide », imprégné de résine. Les résidus de découpe secs issus de la fabrication peuvent être retraités pour former des non-tissés textiles haut de gamme réinjectées dans le cycle de production. Quelque 10 pour cent des fibres de carbone mises en œuvre sur une BMW i3 sont aujourd'hui des fibres recyclées.

Lors du recyclage des composites, donc le retraitement des fibres de carbones imprégnées de résine, le PRFC est d’abord séparé par un processus industriel du mélange formé avec d’autres matières plastiques et traité par exemple dans une installation de pyrolyse. La chaleur dégagée lors de ce processus par la décomposition de la résine est mise à profit pour séparer les fibres de carbone intactes. Celles-ci peuvent ensuite être utilisées pour la fabrication de composants et réduisent ainsi le besoin en fibres neuves. La coque des assises de la banquette arrière de la i3 est réalisée à partir de fibres de carbone récupérées de cette manière. Elle répond à 100 pour cent aux normes de qualité BMW et pèse 30 pour cent de moins qu’une coque réalisée selon la méthode classique en mats de fibres de verre. Moulus ou coupées en fibres courtes, les PRFC et les fibres de carbone recyclés sont aussi réutilisés dans de nombreuses applications en dehors de l’industrie automobile. Ils peuvent par exemple être mis en œuvre dans l’industrie textile ou dans l’industrie électronique (pour des boîtiers de commande).

Eric Houguet, 23/07/2013
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