projet cs05 - les agrocomposites dans l'automobile

LES AGROS COMPOSITES DANS L'AUTOMOBILE : ÉTUDE D'UNE

PLANCHE DE BORD

Alexis BOUGAULT CS05Gabriel DELACROIXDimitri PAPAZARCADAS P16

A. BOUGAULT / G. DELACROIX / D. PAPAZARCADAS

Table des matièresTABLE DES MATIÈRES------------------------------------------------------------------------------------------1

INTRODUCTION--------------------------------------------------------------------------------------------------3

1. ÉTAT DE L’ART---------------------------------------------------------------------------------------------41.1 LES AGRO-COMPOSITES------------------------------------------------------------------------------------4

1.1.1 Généralités----------------------------------------------------------------------------------------------41.1.2 Enjeux----------------------------------------------------------------------------------------------------41.1.3 Les fibres naturelles----------------------------------------------------------------------------------41.1.4 Les bio-polymères-------------------------------------------------------------------------------------61.1.5 Secteurs d’applications et exemples--------------------------------------------------------------6

1.2 LE SECTEUR AUTOMOBILE---------------------------------------------------------------------------------71.2.1 Les agro-composites dans l’automobile----------------------------------------------------------71.2.2 Pièce constitutive : la planche de bord-----------------------------------------------------------8

2 CAHIER DES CHARGES------------------------------------------------------------------------------------92.1 LE SECTEUR AUTOMOBILE---------------------------------------------------------------------------------92.2 LA PLANCHE DE BORD------------------------------------------------------------------------------------- 9

2.2.1 Expression du besoin--------------------------------------------------------------------------------102.2.2 Diagramme fonctionnel----------------------------------------------------------------------------102.2.3 Cahier des charges fonctionnel-------------------------------------------------------------------12

3 CHOIX DES MATÉRIAUX--------------------------------------------------------------------------------133.1 ÉTUDE DES PROPRIÉTÉS DÉSIRÉES POUR LES MATÉRIAUX EXISTANTS---------------------------------133.2 DÉTERMINATION DES INDICES DE PERFORMANCE------------------------------------------------------143.3 SÉLECTION DES MATÉRIAUX AVEC LE LOGICIEL CES (NIVEAU 2)--------------------------------------143.4 PROPRIÉTÉS DES AGRO-COMPOSITES--------------------------------------------------------------------163.5 COMPARAISON DES PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX OBTENUS-------------------------------------------17

4 CHOIX DES PROCÉDÉS----------------------------------------------------------------------------------184.1 LE “SHEET MOLDING COMPOUND” (SMC)-------------------------------------------------------------194.2 LE “RESIN TRANSFER MOLDING” (RTM)--------------------------------------------------------------204.3 LE “REINFORCED REACTION INJECTION MOLDING” (RRIM)------------------------------------------214.4 LE MOULAGE PAR INJECTION DE THERMOPLASTIQUE RENFORCÉ---------------------------------------224.5 COMPARAISON DES DIFFÉRENTS PROCÉDÉS-------------------------------------------------------------234.6 ANALYSE DE COÛT DE FABRICATION---------------------------------------------------------------------244.7 ASSEMBLAGE DE LA PLANCHE DE BORD-----------------------------------------------------------------25

5 CYCLE DE FIN DE VIE DU COMPOSANT-------------------------------------------------------------265.1 RECYCLAGE MÉCANIQUE--------------------------------------------------------------------------------- 265.2 RECYCLAGE PAR REMOULAGE----------------------------------------------------------------------------265.3 RECYCLAGE PAR VOIE CHIMIQUE-------------------------------------------------------------------------265.4 CHOIX DU RECYCLAGE------------------------------------------------------------------------------------26

6 ANALYSE DE COÛT GLOBAL---------------------------------------------------------------------------276.1 PRIX MATIÈRES PREMIÈRES------------------------------------------------------------------------------27

6.1.1 Prix d’achat des matières premières------------------------------------------------------------276.1.2 Coût de transport des matières premières-----------------------------------------------------276.1.3 Coût de stockage des matières premières------------------------------------------------------27

6.2 COÛT DE TRANSFORMATION-----------------------------------------------------------------------------286.2.1 Coût de la main d’œuvre---------------------------------------------------------------------------286.2.2 Prix machine------------------------------------------------------------------------------------------28

Alexis BOUGAULT – Gabriel DELACROIX – Dimitri PAPAZARCADAS1

A

6.2.3 Coût de transformation----------------------------------------------------------------------------286.3 OPÉRATIONS POST-FABRICATION------------------------------------------------------------------------28

6.3.1 Coût de conditionnement--------------------------------------------------------------------------286.3.2 Coût de stockage post-fabrication---------------------------------------------------------------286.3.3 Coût de transport------------------------------------------------------------------------------------29

6.4 FRAIS ANNEXES-------------------------------------------------------------------------------------------296.4.1 Coût marketing--------------------------------------------------------------------------------------296.4.2 Frais fixes----------------------------------------------------------------------------------------------29

6.5 BILAN DES COÛTS---------------------------------------------------------------------------------------- 30

7 CONCLUSION-----------------------------------------------------------------------------------------------31

BIBLIOGRAPHIE------------------------------------------------------------------------------------------------32ARTICLES D’ENCYCLOPÉDIES--------------------------------------------------------------------------------------32ARTICLES DE MAGAZINES----------------------------------------------------------------------------------------- 32PRÉSENTATION---------------------------------------------------------------------------------------------------- 32SITES INTERNET--------------------------------------------------------------------------------------------------- 32THÈSES-------------------------------------------------------------------------------------------------------------33

TABLE DES FIGURES-------------------------------------------------------------------------------------------34

TABLE DES TABLEAUX----------------------------------------------------------------------------------------35

ANNEXES----------------------------------------------------------------------------------------------------------36ANNEXE 1 : RÉDUCTION DES ÉMISSIONS CO2 DANS LE SECTEUR AUTOMOBILE-------------------------------36

1. Contraintes------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 432. Premier indice de performance (Ip1 = E(CO2) )ρ ---------------------------------------------------------------------443. Deuxième indice de performance (Ip2 = Cm )ρ ----------------------------------------------------------------------454. Troisième indice de performance (𝐼𝑝3= E1/3𝜌)------------------------------------------------------------------46

5. Quatrième indice de performance (Ip 4=EK ¿------------------------------------------------------------------476. Sélection finale de matériaux après l’introduction de la notion de recyclabilité------------------------------48


A

Introduction

Le secteur automobile est en constante innovation et se présente comme l’un des secteurs les plus actifs. Cependant, les inconvénients qu’il génère notamment en terme de pollution le place désormais dans un tournant de son évolution. La course à l’allègement a petit à petit remplacée le suréquipement et la performance ; les mesures concernant les émissions de polluants se faisant de plus en plus sévères. L’allègement du véhicule est l’un des principaux leviers pour réduire la consommation d’un véhicule ainsi que son niveau d’émission de CO2.

Les voitures – essentiellement métalliques – ont évoluées avec l’apparition des matériaux synthétiques et notamment des plastiques. Ces derniers étant plus légers, plus simple de mise en œuvre et surtout plus économiques. Cependant, l’utilisation des plastiques est limitée par leurs propriétés mécaniques qui sont bien inférieures aux matériaux métalliques. Afin de pallier cela, la recherche s’est orientée vers un mélange de ces grandes familles de matériaux, appelés « composites ». L’association de fibres et d’une matrice thermoplastique ou thermodurcissable confère des propriétés mécaniques et physiques nettement supérieures aux matériaux plastiques seuls.

Les matériaux composites se sont développés avec 3 types de renforts majeurs : les fibres de carbone, de verre et d’aramide. Ces matériaux possèdent des propriétés de très haute performance technique et sont relativement simple à mettre en œuvre. En revanche, leur nature synthétique et leur coût élevé posent la question d’une possible alternative à ces composites. Ainsi, les matériaux dits « bio-sourcés » renforcés à partir de fibres naturelles telles que le chanvre, le coton ou le lin émergent peu à peu.

Les agro-composites sont issus de l’assemblage de fibres naturelles – animales ou végétales – et d’une matrice pouvant être un bio-polymère. Ces derniers possèdent des propriétés mécaniques certes moins bonnes que les autres composites mais ils ont l’avantage d’être plus légers, plus économiques et naturels.

Cette étude a pour but l’analyse du coût économique et écologique de la fabrication d’une planche de bord de voiture en agro-composites au regard des propriétés requises par le secteur de l’automobile et des attentes en terme de gain de masse/surcoût admissible. Une analyse du cycle de fin de vie est également détaillée dans cette partie étant donné les nouvelles règlementations qui imposent un taux de recyclage proche des 95%.

1


A

1. État de l’art

1.1 Les agro-composites

1.1.1 Généralités

Par définition, les matériaux composites sont des matériaux constitués d’un renfort et d’une matrice. Ils diffèrent des autres produits plastiques synthétiques et permettent de se substituer au métal grâce à leur légèreté et leurs propriétés inaltérables. Le marché des composites est en perpétuelle augmentation notamment dans les secteurs du sport, de l’automobile ou encore du médical.

Depuis plusieurs années, les centres de recherche et les laboratoires réalisent des travaux de manière à intégrer des matériaux d’origine végétale aux plastiques. Ces recherches ont pour but la préservation de l’environnement tout en limitant l’extraction de ressources non renouvelables. L’innovation porte non seulement sur l’incorporation de fibres végétales mais également sur la mise au point de matrices bio-sourcées : les bio-polymères. Les agro-composites pourrait ainsi voir leur utilisation croître jusqu’à 7300% à l’horizon 2030 selon l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME). [ADE16].

1.1.2 Enjeux

Généralement, l’utilisation de matériaux bio-sourcés se justifie de plusieurs façons :

- Valoriser une ressource locale dans des pays faiblement industrialisés- Réduire l’impact sur l’environnement en développant des matériaux qui se recyclent

naturellement sur terre. Il est ainsi envisagé de remplacer les fibres actuellement utilisées par des fibres naturelles non seulement pour des raisons économiques mais également pour le côté écologique des matières renouvelables.

Les matériaux renforcés par des fibres naturelles sont pour le moment en développement, leurs applications sont encore limitées mais elles sont amenées à prendre une place très importante dans le futur notamment dans le domaine de la construction. [OLI12]

1.1.3 Les fibres naturelles

Les fibres naturelles peuvent être d’origine :

- Animale : laine, soie ;- Végétale : coton, lin, chanvre, jute, coco, bois, sisal, kénaf ;- Minérale : amiante ;


A

Figure 1 : Illustrations de plantes servant à la production de fibres naturelles

Les renforts les plus utilisés sont ceux issus du bois, du lin et du chanvre.

Les fibres naturelles renouvelables (animales et végétales) sont initialement biodégradables et sont neutres vis-à-vis des émissions de CO2.

Le choix des fibres provenant d’un milieu naturel et présentant des performances mécaniques intéressantes se fait en tenant compte de :

- leur origine et fonction : les fibres qui présentent des performances mécaniques possèdent un rôle structurel dans la nature ;

- leur abondance : les fibres doivent être présentes en quantités industrielles afin de pouvoir envisager les utiliser ;

- leur composition et structure : elles sont souvent complexes et leurs propriétés varient beaucoup selon les fibres ;

- la connaissance des impacts environnementaux. [BAL13]

Dans le cas d’un renforcement de polymère, les fibres doivent avoir une fonction structurelle dans la nature. Les fibres végétales provenant des tiges, des feuilles et des fruits ainsi que les sécrétions animales présentent les propriétés mécaniques les plus intéressantes. Les avantages ainsi que les inconvénients du renforcement de polymères par fibres naturelles sont détaillés dans le tableau 1:

Tableau 1 : Avantages et inconvénients des fibres naturelles

Avantages InconvénientsFaible coût Large gamme de prix

Propriétés spécifiques mécaniques élevées (rigidité et résistance)

Faible résistance thermique (200 à 230°C

maximum)Bonne isolation thermique et acoustique Absorption de l’eau

Renouvelabilité BiodégradabilitéBiodégradabilité Faible stabilité dimensionnelleNeutre en CO2 Renfort discontinu

Production peu énergivore Fibres anisotropesPas/peu de déchets après incinération Qualité variable : météo, lieu de culture

Non abrasif pour les outillages Culture annuelle : nécessité de gérer les stocks


A

Pas d’irritation cutanée lors de l’utilisation Faible recul : tenue en fatigue…

Les fibres naturelles présentent une large gamme d’avantages mais se révèlent aussi avoir des inconvénients notamment au niveau du faible niveau de connaissance et du faible recul à leur sujet.

1.1.4 Les bio-polymères

Les bio-polymères sont par définition biodégradables et/ou d’origine naturelle. Le but étant de remplacer les thermoplastiques de grande diffusion dans un souci de recyclabilité et de gestion de la fin de vie des déchets. Les catégories de bio-polymères sont les suivantes :

- Polymères issus des plantes : amidon, cellulose, lignine ;- Polymères obtenus par polymérisation d’éléments naturels : polymères polylactiques ;- Polymères micro-biens : sécrétés par des micro-organismes après fermentation de matières

premières naturelles ;- Polymères synthétiques biodégradables.

La température lors de la mise en forme de ces bio-composites ne doit pas dépasser les 220°C afin de ne pas dégrader la cellulose ainsi que les fibres. [FLO13]

1.1.5 Secteurs d’applications et exemples

Les agro-composites sont actuellement utilisés dans les secteurs :

- Du transport : essentiellement pour les constituants intérieurs - Du sport : raquettes de tennis, skis, planches de surf (voir figure 2)- Du nautisme : coques de voiliers, pièces d’accastillage - Du bâtiment : profilés de fenêtres, dalles - De la signalétique et du mobilier urbain : poubelles, bancs

Figure 2 : Planches de surf Kairos en biocomposites


A

Autant de secteurs d’activités en développement qui promettent une forte croissance dans les années à venir. [JOU12]

1.2 Le secteur automobile

1.2.1 Les agro-composites dans l’automobile

Le secteur de l’automobile est en pleine mutation ; face aux réglementations sur les objectifs environnementaux de plus en plus fortes, les constructeurs durcissent leur cahier des charges destinés aux équipementiers.

Afin de réduire les émissions de CO2 et diminuer l’impact environnemental, les matériaux doivent être toujours plus légers et recyclables (cf. Annexe 1). Les agro-composites permettent – pour des pièces intérieures – de répondre à ces cahiers des charges.

Actuellement, les pièces produites ou en cours de développement incluent :

- Passages de roues - Garniture latérale de coffre - Coque arrière de siège avant - Tablette arrière - Planche de bord - Médaillon de portière (voir figure 3) - Platine de rétroviseur - Coiffe bouchon de dégazage - Coulisses et lécheurs

Figure 3 : Panneau de portière réalisé en agro-composites

Les constructeurs se concentrent sur des économies d’énergie aussi bien lors de la fabrication des pièces que lors du fonctionnement de la voiture. Les agro-composites ouvrent la nouvelle


A

perspective d’utilisation de ces matériaux pour la carrosserie avec un gain important de masse et une bonne absorption des vibrations.

1.2.2 Pièce constitutive : la planche de bord

La planche de bord est une pièce d’aspect intégrée dans les véhicules automobiles comme présentée sur la figure 4.

Figure 4 : Schéma d'ensemble de la planche de bord de la Peugeot RCZ Racing Cup [PEU16]

Elle a pour but de cacher les différents composants électroniques et mécaniques reliés au tableau de bord et aux éléments situés sous le capot. Si la fonction esthétique de cette pièce est certaine d’un point de vue aspect, toucher, design ou encore coloris, elle participe également à l’absorption des vibrations.


A

[Attirez l’attention du lecteur avec une citation du document ou utilisez cet espace pour mettre en valeur un point clé. Pour placer cette zone de texte n’importe où sur la page, faites-la simplement glisser.]

(1) : Planche de bord(2) : Monogramme « RCZ »

2 Cahier des charges

2.1 Le secteur automobile

La pièce sélectionnée pour cette étude doit non seulement répondre au cahier des charges spécifique de cette pièce mais aussi, plus généralement, répondre aux exigences spécifiques du secteur automobile. La figure 5 liste les principaux enjeux liés au secteur automobile pour les prochaines années.

Figure 5 : Objectifs futurs du secteur automobile

Il est à noter que le facteur environnemental joue visiblement un rôle majeur, l'objectif étant de réduire l'impact environnemental en choisissant des procédés et matériaux plus respectueux vis à vis de l'environnement. Ainsi, le secteur automobile se tourne désormais vers des matériaux "verts" tels que les agro-composites (matériaux ayants de bonnes performances mécaniques spécifiques).


A

SECURITE ET ESTHETIQUE

- Performances mécaniques et physiques (amortissement des chocs, etc.)

- Design

FABRICATION

- Réduction de l'énergie consommée par véhicule pour la fabrication

EMISSIONS

- Réduction des émissions de CO2 (moteur + allégement du véhicule + aérodynamisme)

-Réduction des émissions de polluants

IMPACT ENVIRONNEMENTAL

- Recyclabilité (réduire impact des véhicules en fin de vie)

-Matériau (optimiser utilisation des ressources naturelles)

C.C. - AUTOMOBILE

2.2 La planche de bord

Après avoir identifier les enjeux majeurs du secteur automobile, il est question de définir les exigences liées au produit.

2.2.1 Expression du besoin

Le diagramme "Bête à corne" présenté sur la figure 6 est un moyen de formuler le besoin des consommateurs de manière claire afin de proposer un produit qui sera en adéquation avec ce besoin. Pour ce faire, il est essentiel de répondre aux 3 questions suivantes :

- A qui le système rend-il service ?- Sur quoi ou sur qui agit le système ?- Dans quel but ?

2.2.2 Diagramme fonctionnel

Une fois que le besoin a été exprimé, il faut répondre à ce besoin. La réponse à ce besoin passe nécessairement par l'identification des fonctions principales du produit mais aussi par l'identification des contraintes extérieures (en rapport avec le milieu dans lequel le produit évolue). Le diagramme pieuvre présent en figure 7 retranscrit les fonctions principales et contraintes d'une planche de bord automobile.


A

ConducteurIndicateurs et accessoires

Planche de bord

Camouflage des composants électroniques

du tableau de bord

Figure 6 : Bête à corne - planche de bord automobile

Voici la liste des fonctions identifiées :

Fonctions principales :

FP1 : La planche de bord sert à camoufler les composants électroniques du tableau de bord.

FP2 : La pièce doit permettre le maintien en position des différents composants électroniques du tableau de bord (indicateurs de vitesse, airbag, système de climatisation, etc.).

FP3 : La planche de bord doit avoir un design qui plaît à l'utilisateur. FP4 : La planche de bord doit présenter un aspect de surface agréable (visuel, toucher).

Fonctions contraintes :

FC1 : La planche de bord doit pouvoir résister à l'environnement (insonorisation, résistance aux vibrations, etc.), car il s'agit d'une pièce qui se situe à proximité du moteur.

FC2 : La planche de bord doit être légère.


A

FC1

FC2

FC3FC4FC5

FC6

FP2 FP1

FP3FP4

Maintien des composants du tableau de bord

Planche de bord

Camouflage des composants

Environnement

Densité

Durée de vie

Recyclabilité

NormesCoût

Design

Aspect de surface

Utilisateur

Figure 7 : Diagramme pieuvre - planche de bord automobile

FC3 : La pièce doit respecter une durée de vie minimum. FC4 : La pièce doit respecter les normes de recyclabilité. FC5 : La pièce doit respecter les normes de qualité du secteur automobile. FC6 : La pièce doit respecter le budget fixé (surcout admissible inclus).

2.2.3 Cahier des charges fonctionnel

Afin de répondre au mieux au besoin des consommateurs et dans le but de proposer un produit qui correspond bien à leurs attentes, il est nécessaire définir pour chaque fonction :

Un critère qui permet d'évaluer la fonction Un niveau qui permet de quantifier l'exigence liée à chaque fonction Un degré de flexibilité (allant de 0 à 2 dans ce cas ; avec 0 = non négociable et 2 = négociable)

qui permet de mesurer l'importance d'un niveau d'exigence

Ces exigences sont résumées dans le tableau 2 :

Tableau 2 : Cahier des charges fonctionnelles

Fonction Critère Niveau FlexibilitéCamouflage des

composants Opacité 100 % F0

Design Esthétisme Pièces courbées F0

Résistance à des produits chimiques nettoyants

Résistance à des produits chimiques nettoyants ? Acceptable / Excellente F0

Résistance aux UV Résistance aux UV Acceptable / Excellente F0Densité Masse - 30 % en masse F0Normes Pourcentage de conformité 100% F0

Aspect de surfaceCouleur / Aspect visuel Colorable (couleur

neutre) F0

État de surface Classe A F0

Cadence de production Nombre de pièces/j > 600 pièces/j F0

Coût (Prix = Revient + MP + Fabrication?) Prix (€) Faible coût F1

Durée de vie Temps (années) > 15 ans F1

Recyclabilité Recyclable Oui F1

Maintien des composants en position

Résistance aux vibrations Bonne F2

Ténacité Grande ténacité F2

Rigidité Grande rigidité F2


A

Propriétés thermiques

Température minimale d’utilisation -40°C F2

Température maximale d’utilisation 130°C F2

F0 : aucune flexibilité ; F1 : flexibilité acceptable ; F2 : grande flexibilité

3 Choix des matériaux

Dans le cas présent, les bases de données de matériaux ne comportent pas encore de matériaux agro-composites étant donné que les données sont insuffisantes pour certaines propriétés. Le choix des matériaux doit donc se faire sous un angle différent. Il faut ici réaliser le choix des matériaux à l’aide du logiciel CES puis comparer les résultats obtenus avec les matériaux agro-composites utilisés dans l’industrie. Il est également possible de « créer » un matériau dans le logiciel afin de le comparer directement avec les matériaux existants. Le niveau ici utilisé est le niveau 2 du logiciel CES.

3.1 Étude des propriétés désirées pour les matériaux existants

Certaines fonctions seront appliquées comme contraintes (ou limites) dans le but d'éliminer les matériaux les moins performants pour la conception de la planche de bord automobile. Les limites imposées sur le logiciel CES sont ici détaillées dans le tableau 3 :

Tableau 3 : Limites imposées au matériau créé et utilisées lors du choix des matériaux sur CES

Contraintes Critère Niveau d'exigence Priorité

Esthétisme Transparence Opaque 3

Allègement Masse volumique ¿2 000 kg/m3 3

Facilité de mise en oeuvre Moulabilité 5 3

Résistance aux produits d'entretien

Résistance aux produits d'entretien Acceptable / Excellente 2

Température d'utilisation maximale

Température d'utilisation maximale Au moins 130 °C 2

Température d'utilisation minimale

Température d'utilisation minimale Au moins -40 °C 2

Recyclabilité Recyclabilité Recyclable 2

Priorité : 3 : fort poids ; 1 : faible poids

Dans le cas présent d’une pièce d’aspect, les limites imposées ici sont plus importantes que les propriétés mécaniques.


A

Parmi ces fonctions contraintes, certaines vont dépendre de la mise en forme comme la rugosité ou l’état de surface (Classe A). Quant à la résistance aux UV, elle sera le fruit de traitements de surface ou d’ajout d’additifs lors de la fabrication. Ces propriétés seront prises en compte dans la partie 4. Choix du Procédé.

Ainsi, une fois les limites fixées, il faut ensuite déterminer les indices de performance permettant de perfectionner la sélection des matériaux les plus en adéquation avec les attentes du secteur.

3.2 Détermination des indices de performance

Les indices de performance ont été calculés en Annexe 2. Les résultats obtenus sont détaillés dans le tableau 4 :

Tableau 4 : Détermination des indices de performance pour la réalisation d'une planche de bord

N ° Objectifs Indice de performance Priorité

1 Planche de bord légère et bon marché Ip1=Cm ρ 3

2 Planche de bord éco-responsable Ip2=Eco2 ρ 3

3 Planche de bord rigide pour éviter les vibrations Ip3=

E1/3

ρ2

4 Grande ténacité pour résister aux efforts de fixation

Ip4=EK 1

Priorité : 3 : fort poids ; 1 : faible poids

Ces indices de performances calculés en Annexe 2 sont intégrés dans le logiciel CES selon leur ordre de priorité, afin de sélectionner les matériaux les plus performants pour la planche de bord.

Bien que le logiciel ne comporte pas d’agro-matériaux, cette sélection permettra par la suite de comparer les propriétés des matériaux obtenus avec les propriétés des agro-composites à disposition.

3.3 Sélection des matériaux avec le logiciel CES (niveau 2)

En prenant en considération les fonctions contraintes (qui seront intégrés en tant que limites dans le logiciel CES) et les indices de performances calculés pour la planche de bord, nous allons isoler les meilleurs candidats. Pour ce faire, les étapes réalisées sont résumées dans la figure 8 :


A

Figure 8 : Schéma de sélection des matériaux avec le logiciel CES

En imposant les limites citées précédemment, 76 matériaux sont immédiatement « éliminés », les matériaux restant étant essentiellement des polymères, élastomères, matériaux naturels et mousses polymériques (cf Annexe 3. 1).

Ensuite, les indices de performance viennent consécutivement affiner le choix des matériaux selon l’importance qui leur est accordé. La succession des indices de performance permet de réduire la liste à 16 matériaux. La sélection est présentée en Annexe 3. 2-5.

Enfin en intégrant la recyclabilité des matériaux dans les contraintes, on parvient à isoler 4 matériaux (cf. Annexe 3. 6)

La figure 9 retranscrit les résultats obtenus sur CES.Figure 9 : Diagramme des étapes suivis et des résultats obtenus sur CES


A

Fonctions contraintes :- Opacité- Masse volumique- Moulabilité- Résistance aux produits d'entretien- Température d'utilisation

Indices de performances :- Ip1- Ip2- Ip3 - Ip4

Recyclabilité

Fonctions contraintes :- 26 matériaux restants : Bois, Caoutchoucs, Mousses

polymériques, Polymères

Ip1 + Ip2 + Ip3 + Ip4- 13 matériaux restants : Bois, Mousses polymériques,

Polymères

Recyclabilité :- 4 matériaux restants : ABS, PE, PP, tpPVC

Parmi les 4 matériaux restant se trouve l’ABS, ce dernier un matériau régulièrement utilisé pour la réalisation de planches de bord. Les résultats obtenus semblent donc cohérents d’autant plus que les autres matériaux sont des polymères, matériaux largement répandus dans le secteur automobile.

3.4 Propriétés des agro-composites

Les propriétés générales des fibres naturelles sont décrites dans le tableau 5 :

Tableau 5 : Caractéristiques des différents types de renforts

Fibres Lin Chanvre Coton Jute Carbone (Toray T300)

Verre (filament vierge)

ρ 1,4 – 1,5 1,4 – 1,5 1,5 – 1,6 1,4 – 1,5 1,7 – 1,9 2,5 – 2,6E 12 - 85 24 – 90 5 – 13 25 – 27 200 – 250 72 – 73σ m 700 – 2000 340 – 900 280 – 590 390 – 800 3200 - 3800 2000 – 2400

Cm 3 – 3,5 3 – 3,5 3 – 3,5 3 – 3,5 22 – 27 2 - 5

Les propriétés générales décrites ici permettent de dégager deux matériaux principaux possédant la meilleure rigidité : le lin et le chanvre. C’est en effet pour ces deux renforts que le module d’Young se rapproche le plus de celui des fibres de verre ou de carbone. En revanche, on observe que la densité est bien plus faible pour le lin et le chanvre comparé au verre ce qui est, pour cette application, très intéressant.

L’industrie automobile vient confirmer les résultats obtenus : en effet, les renforts utilisés dans ce secteur sont essentiellement des fibres de chanvre et/ou de lin.

Dans la suite de cette étude, plusieurs matériaux seront « créés » via des données recueillies pour des matériaux renforcés avec du lin et/ou du chanvre et pour lesquels les propriétés sont connues (cf tableau 6). Les matériaux créés sur le logiciel CES seront ensuite comparés selon les limites et les propriétés imposées avec les matériaux déjà présents sur le logiciel. [FLO13]

Tableau 6 : Caractéristiques principales des agro-composites sélectionnés

Caractéristiques Lin / époxy(50/50)

Chanvre / PP (30/70)

Chanvre / PP (40/60)

Lin / PP(30/70)

ρ 1,35 1,07 1,12 1,07E 24 3,5 4,2 5σ m 325 38 36 29

Cm 3,5 – 3,7 2,0 – 2,2 2,2 – 2,4 2,0 – 2,2

Ces valeurs sont exprimées en pourcentages massiques.

Les deux matrices présentées ici sont utilisées actuellement pour les agro-composites. Aucun de ces composites n’a pour vocation la haute performance, c’est uniquement dans un but de grande distribution.

Le problème majeur du composite époxy/lin est que la matrice époxyde est une matrice thermodurcissable ; elle n’est donc pas recyclable. Les autres composites ont des propriétés mécaniques semblables (d’autant que dans le cas présent d’une pièce d’aspect). Le renfort de chanvre à 40% présente un coût un peu plus élevé en raison du prix des fibres de chanvre comparé à celui du PP.


A

Le constructeur Faurecia fabrique ses planches de bord avec un agro-composite de type Chanvre/PP (30/70). C’est ce matériau qui sera considéré pour la suite de l’étude.

3.5 Comparaison des propriétés des matériaux obtenus

Les résultats obtenus avec le logiciel CES et les matériaux trouvés dans l’industrie sont comparés dans le tableau 7 :

Tableau 7 : Comparaison des matériaux sélectionnés

Caractéristiques ABS tpPVC PP PE Chanvre / PPEmpreinte CO2

(production primaire)

3,84 2,50 3,12 2,78 2,18

ρ 1,1 1,4 0,9 1,0 1,07E 2,0 3,1 1,2 0,8 3,5σ m 41 53 35 33 38Cm 2,4 1,2 1,6 1,5 2,1

La production de fibres de chanvre étant considérée comme neutre en émission de CO 2 (la plante absorbe autant de CO2 qu’il en est dégagé pour la production), l’empreinte CO2 de production primaire de l’agro-composite est ainsi estimée aux alentours de 2,2 kg/kg. Ce ratio est le plus faible pour les différents matériaux considérés.

L’observation des caractéristiques des matrices permet de mettre en valeur le choix de la matrice pour ce type de pièce d’aspect. En effet, le PP possède la masse volumique la plus faible de ces 4 matériaux et de meilleures propriétés mécaniques que le PE qui se rapproche le plus du PP. Le choix de l’allègement est ainsi bien justifié par le choix de matériau réalisé par l’entreprise Faurecia qui utilise majoritairement des matrices polypropylènes.

Le renfort permet ainsi d’augmenter les caractéristiques mécaniques et de réduire l’empreinte CO2 de production primaire tout en conservant une masse volumique relativement faible. L’agro-composite possède ainsi de meilleures propriétés spécifiques.


A

4 Choix des procédés

Pour les agro-composites, il existe déjà de nombreux procédés, manuels ou mécanisés. Dans le cas présent, la production en moyenne voire grande série tend à utiliser exclusivement des procédés mécanisés.

Parmi les procédés mécanisés, tous ne correspondent pas à la mise en forme de cette pièce : il existe des contraintes de forme, de taille, de finition, de poids, et toujours de vitesse de production.

La planche de bord est une pièce d’aspect, qui doit être de qualité de finition de classe A. De plus, on recherche un procédé ayant la possibilité d’intégrer un grand pourcentage de fibres dans le composite.

Les recherches documentaires ont permis de sélectionner 4 procédés intéressants pour la mise en forme de cette planche de bord an agro-composites :

Le Sheet Molding Compound (SMC) Le Resin Transfer Molding (RTM) La Reinforced Reaction Injection Molding (RRIM) Le Moulage par Injection de Thermoplastique Renforcé

Ces différents procédés sont détaillés dans les parties suivantes.


A

0,5 cm

130 cm

40 cm

Figure 10 : Modélisation schématique de la planche de bord considérée

4.1 Le “Sheet Molding Compound” (SMC)

Le SMC (ou moulage par compression) est un semi-produit thermodurcissable en feuille, constitué de nappe de fils coupés ou continus (mats ou rovings), imprégnés entre pellicules par une résine polyester chargée.

Le produit vient se placer dans un moule dont la taille peut être importante et la forme complexe. La feuille est ensuite soumise à une pression entre 50 et 100 bars et une température entre 140 et 160°C. Le principe de fonctionnement est détaillé dans la figure 11.

Dans le cas de fabrication en grande série, l’utilisation de moule en acier peut permettre des pressions et des températures de chauffe plus élevées, et donc un temps de cycle plus court, mais elle ne permet pas de travailler avec des matériaux organiques.

Le temps de cycle varie de 1 à 5 minutes suivant la taille et l’épaisseur du produit, ce qui permet une cadence de production assez élevée pour des séries moyennes (suffisant dans ce cas).

L’investissement reste coûteux (jusqu’à 150 000€ pour des pièces complexes) mais en contrepartie le procédé offre de nombreux avantages cités (tableau 8).

Tableau 8 : Avantages et inconvénients du procédé SMC

Avantages InconvénientsSurface finie lisse Utilisation de thermodurcissables

Faible part de main d’œuvre Investissement élevéCadence de production élevée Nécessite des finitions

Coûts de finition faiblesPièce d’assez grande dimension

Forme complexeBonne reproductibilité


A

Figure 11 : Principe de fonctionnement du SMC

4.2 Le “Resin Transfer Molding” (RTM)

Le moulage par injection de résine liquide (RTM) est un procédé semi-automatisé qui s’effectue à l’aide d’un moule et d’un contre-moule rigides.

Les renforts, sous forme de mats, tissus ou préformes, sont placés dans l’entrefer du moule qui est ensuite fermé. La résine catalysée et de faible viscosité est injectée à l’intérieur à une faible pression entre 1,5 et 4 bars, déplaçant l’air dans le moule jusqu’à que ce dernier soit totalement rempli. Le moule est ensuite chauffé pour durcir la résine.

Figure 12 : Principe de fonctionnement du procédé RTM

Ce procédé permet une production en moyenne série (environ 200 à 10 000 pièces par an), pour des pièces de grandes tailles et d’épaisseur suffisante. L’investissement machine est quant à lui modéré. Les pièces sont exemptes de bulle d’air de par l’injection (contrairement à la compression). Les caractéristiques principales de ce procédé sont détaillées dans le tableau 9.

Tableau 9 : Avantages et inconvénients du procédé SMC

Avantages InconvénientsSurface finie lisse Forme moyennement complexe

Pièces de grandes dimensions Caractéristique mécanique moyenneReproductibilité Finition post moulage (gel coat)

Faible part de main d’œuvre Cadence de production moyenneInvestissement modéré

Utilisation de thermoplastiques


A

4.3 Le “Reinforced Reaction Injection Molding” (RRIM)

Le RRIM consiste en l’injection de deux produits réactifs dans un moule fermé. Les deux composants liquidés mélangés réagissent entre eux et durcissent (voir figure 13).

Différentes matières peuvent être mises en jeu tel que les polyuréthannes, les époxydes ou les polyamides. Les plus répandus restent les polyuréthanes. Les fibres sont placées dans le moule avant injection. Ce procédé est très proche du RTM.

Figure 13 : Principe de fonctionnement du procédé RRIM

Des pièces de grandes tailles peuvent être mises en œuvre, avec une surface lisse et une finition excellente, utilisable pour des matériaux de classe A. L’investissement est assez élevé (jusqu’à 260 000 euros) mais présente les caractéristiques suivantes (cf. tableau 10) :

Tableau 10 : Avantages et inconvénients du procédé RRIM

Avantages InconvénientsSurface lisse finie Utilisation de thermodurcissablesFinition classe A Investissement élevé

Résistance aux impacts Vitesse de production faibleRésistance à la chaleurPièce de grande taille


A

4.4 Le moulage par injection de thermoplastique renforcé

Ce procédé comprend trois étapes principales. D’abord, le polymère fondu est injecté sous haute pression dans un moule en acier froid. Ensuite, le polymère se solidifie sous pression (phase de compactage) par injection de matière plastique afin de combler le retrait du plastique dans le moule. Pour finir la pièce est éjectée. Différents types de machines de moulage par injection existent, mais le plus couramment utilisée aujourd'hui est la machine à vis à mouvement alternatif. Le principe de fonctionnement est détaillé dans la figure 14.

L’investissement est très élevé, jusqu’à 650 000 euros pour des pièces complexes et de gros volume, moins dans le cas de pièce plus simples comme une planche de bord. Cependant le temps de cycle est très court, il est estimé autour de la minute pour une planche de bord renforcée en fibres naturelles.

Ce procédé ne peut utiliser que des fibres sous forme de granulés (additionnés avec une matrice polymère) : les caractéristiques mécaniques sont donc réduites. Cependant il est possible de renforcer la matrice jusqu’à 70% de fibres. Les caractéristiques principales de ce procédé sont détaillées dans le tableau 11.

Tableau 11 : Avantages et inconvénients du procédé de moulage par injection de thermoplastiques

Avantages InconvénientsPièces de grandes dimensions Investissement élevéBonne cadence de production Caractéristiques mécaniques moyennes

Prix par unité relativement faible Nécessite des finitionsTaux de fibre maximal élevé


A

Figure 14 : Principe de fonctionnement du procédé de moulage par injection de thermoplastiques

4.5 Comparaison des différents procédés

La comparaison des procédés cités auparavant est explicitée dans le tableau 12 :

Tableau 12 : Comparaison des différents procédés de mise en forme

Caractéristiques SMC RTM RRIM Moulage par injection

Type de cadence Grande série Moyenne série Moyenne série Grande sérieEtat de surface Lisse Lisse Lisse Finitions

nécessairesInvestissement Elevé Modéré Elevé ElevéCoût unitaire Faible Elevé Faible Très faibleType de polymère Thermodurcissable Thermoplastique Thermodurcissable Thermoplastique

Certains procédés ne peuvent pas être utilisés dans ce cas : ce sont ceux utilisant des polymères exclusivement thermodurcissables (étant donné les obligations de recyclage) de même que ceux pour laquelle la production ne peut atteindre plus de 100 000 pièces.

Ainsi, par élimination, il ne reste plus qu’un procédé qui sort du lot : le moulage par injection de thermoplastiques. Ce dernier à l’avantage de présenter un coût unitaire de production très faible bien que l’état de surface ne soit pas excellent. Par ailleurs, ce type de procédé est très répandu et les entreprises peuvent avoir déjà ce type d’installation à disposition : seul le moule diffèrera.

C’est donc ce dernier procédé qui semble correspondre le mieux à la fabrication de planches de bord en agro-composites. Le procédé moulage par injection est utilisé par Faurecia pour mettre en œuvre ses planches de bord (cf. Annexe 5).


A

4.6 Analyse de coût de fabrication

Une analyse de coût pour le procédé a été effectuée (voir figure 15) dans les conditions suivantes :

Coût d’opération : 87,6 €/heure (paramètre du logiciel CES) ; Coût du matériau (Chanvre / PP (30/70)) : 2,2 €/kg ; Facteur de charge : 0,5 ; Poids du composant (voir dimensions figure 10) : 3,4 kg ; Temps pour amortir le capital : 5 ans.


A

Figure 15 : Analyse de coût pour le matériau et le procédé sélectionnés

Le coût de fabrication par pièce pour une série avoisinant les 100 000 pièces se trouve aux alentours des 9 €/pièce. Aucune donnée n’a ici permis de comparer avec le coût de fabrication en industrie.

4.7 Assemblage de la planche de bord

La planche de bord est fixée sur le socle déjà présent par simples clips. Le respect des tolérances et donc de la mise en œuvre est donc très important sous peine d’avoir un défaut d’assemblage. La planche de bord vient ainsi s’insérer facilement et doit être aisément démontable en cas de réparation. Des vis viennent très souvent assurer un meilleur maintien de la pièce avec le reste des composants ( cf figure 4).


A

5 Cycle de fin de vie du composantIl existe plusieurs moyens de recycler les agro-composites :

Recyclage mécanique ; Recyclage par remoulage ; Recyclage par voie chimique.

L’incinération des matériaux n’est ici pas envisagée étant donné qu’elle donne lieu à des émissions de CO2.

5.1 Recyclage mécanique

Le recyclage mécanique peut se faire de plusieurs façons : broyage, déchiquetage ou tamisage. Il est possible de séparer les fibres de la matrice, elles se trouvent partiellement recouvertes de matrice mais reste exploitables – bien que dégradées – en vue d’une seconde application.

Les composites peuvent par exemple être broyés sous forme de granulés puis réinjectés pour former de nouvelles pièces. Faurecia utilise ce type de de recyclage pour traiter la fin de vie de ses pièces. Ils ont mis au point un procédé permettant de bien séparer la matrice des fibres et ainsi de les réutiliser par la suite.

5.2 Recyclage par remoulage

Ce procédé ne s’applique qu’aux matrices thermoplastiques. L’agro-composite est tout simplement remoulé afin de former une nouvelle pièce. Cependant il faut faire attention à ne pas dégrader les fibres naturelles : il ne faut donc pas chauffer au-delà de 200°C pour ne pas dégrader la cellulose. Ce procédé de recyclage atteint en moyenne 90% de rendement.

Les propriétés peuvent varier au cours du nombre de remoulage, la dispersion des fibres peut entraîner une augmentation du module de Young et à contrario, une diminution drastique de la résistance mécanique.

5.3 Recyclage par voie chimique

Ce procédé concerne essentiellement les matrices thermodurcissables étant donné que celles-ci ne sont pas remoulables. Ces procédés de recyclage ne sont pas encore très répandus.

Parmi ceux-ci figure la solvolyse : un solvant réactif sera additionné au polymère à recycler. Les liaisons entre la matrice et les fibres se couperont ainsi durant le traitement chimique. Il sera ainsi possible de récupérer les fibres d’un côté et la matrice thermodurcissable de l’autre. Les matériaux pourront ainsi être récupérés.

5.4 Choix du recyclage


A

Deux de ces 3 types de recyclage semblent être exploitables : le recyclage mécanique et le recyclage par remoulage. Ces procédés permettent de réduire considérablement la part des déchets de l’industrie automobile.

6 Analyse de coût globalL’analyse de coût réalisée ici raisonne en coût global, c’est-à-dire que les paramètres autres

que ceux strictement liés à la production seront également pris en compte.

6.1 Prix matières premières

Lors de l’achat de matières premières, il ne suffit pas de prendre en compte l’achat pur de matière, mais bien l’achat global de matière qui comporte le transport mais également le stockage. L’exemple est ici pris pour le cas de planche de bords réalisés en matériaux composites PP – 30% chanvre. La production est fixée à 120 000 pièces.

6.1.1 Prix d’achat des matières premières

Dans le cas présent d’un composite à matrice Polypropylène et renforcée à 30% volumique en fibres de chanvre, le coût matière est estimé à 2,2€/kg, la masse d’une pièce étant fixée à 3,4 kg.

Coût matière première : 7,48€/pièce

6.1.2 Coût de transport des matières premières

Prix d’achat du camion : 140 000€ amorti sur 500 000 km ; Trajet réalisé : 300 km à 70 km/h de moyenne ; Consommation de carburant : 25L/100 km ; Prix du carburant : 1,2€/L ; Salaire brut chauffeur : 25€/h ; Matière transportée pour 40 000 pièces : 3 trajets nécessaires.

Amortissement du camion = (140000/500000)*(3*300) = 252 € ; Coût du trajet = (25*3*300*1,2) = 27000 € ; Salaire du chauffeur = (3*300/70)*25 = 321 € ; Coût du transport = 27573 €

Coût du transport/pièce = 0,23€/pièce

6.1.3 Coût de stockage des matières premières

Ici est considéré un bâtiment de 2000 m² comprenant le lieu de stockage, les frais d’administration ainsi que ceux de la partie production.

Le coût du stockage est ainsi estimé à 0,010€/pièce.


A

6.2 Coût de transformation

Dans le cas d’une grande série (supérieure à 100 000 pièces) l’efficience considérée est de 0,95.

6.2.1 Coût de la main d’œuvre

Il sera considéré ici un temps de cycle d’une minute pour la fabrication d’une pièce. Un salarié payé 25€/heure est affecté à la machine.

CoûtMO = (1/60*25) = 0,41€/pièce

6.2.2 Prix machine

La presse à injection coûte ici 300 000 €, le moule étant à la charge du client. Dans le taux horaire machine sont considérés :

Les provisions pour amortissement : amortissement sur 120 000 pièces; La maintenance : 3€/heure ; L’énergie de fonctionnement : 1,5€/heure ; Les consommables liés à la fabrication : 0,5€/heure.

CoûtM = (300000/120000 + (3+1,5+0,5)*1/60) = 2,55€/pièce

6.2.3 Coût de transformation

CoûtT = (CoûtMO + CoûtM)/Efficience = (0,41+2,55)/0,95

CoûtT = 3,12€/pièce

6.3 Opérations post-fabrication

6.3.1 Coût de conditionnement

Les planches de bord doivent ensuite être conditionnées et emballées de manière à les protéger lors du transport de des diverses manipulations de ces dernières.

Coût de conditionnement : 1€/pièce

6.3.2 Coût de stockage post-fabrication

Le but d’une entreprise de fabrication est de travailler au maximum à flux tendu, cependant, après fabrication, il y a régulièrement un temps de stockage nécessaire. Il sera considéré ici comme deux fois moins important que pour le stockage des matières premières.


A

Coût de stockage post-fabrication : 0,005€/pièce

6.3.3 Coût de transport

Le transport dépend des incoterms négociés avec les clients. Le transport sera parfois nul (le client vient directement chercher les pièces) tandis que la livraison sera à la charge de l’entreprise pour d’autres.

En considérant qu’une pièce sur deux seulement sera livrée et qu’un chargement peut transporter 60000 pièces, le prix par pièce est le suivant :

Trajet réalisé : 500 km à 70 km/h de moyenne ; Matière transportée pour 30 000 pièces : 2 trajets nécessaires.

Amortissement du camion = (140000/500000)*(2*500) = 280 € ; Coût du trajet = (25*2*500*1,2) = 30000 € ; Salaire du chauffeur = (3*300/70)*25 = 357 € ; Coût du transport = 30637 €

Coût du transport/pièce = 0,51€/pièce

6.4 Frais annexes

6.4.1 Coût marketing

La promotion du produit et la prospection des commerciaux fait partie intégrante du coût global de la pièce.

Coût marketing : 0,09€/pièce

6.4.2 Frais fixes

Les frais fixes sont indépendants de la production, ils concernent les frais de fonctionnement de l’entreprise, l’énergie minimale de fonctionnement (hors production)…

Frais fixes : 1,2€/pièce


A

6.5 Bilan des coûts

Le tableau 13 résume l’intégralité des coûts liés à la production d’une planche de bord :

Tableau 13 : Analyse du coût global de fabrication

Coûts (en €) PP - 30 % fibres de chanvreMatière première 7,48

Transport 0,23Stockage 0,010

Transformation 3,12Conditionnement 1

Stockage 0,005Transport 0,51Marketing 0,09Frais fixes 1,2

Total 13,7

Le coût global de la pièce déterminé ici est de 13,7€. Il est bien supérieur au coût trouvé avec le logiciel CES, ceci provient du fait des hypothèses faites sur l’investissement machine, la main d’œuvre, l’énergie et la maintenance ainsi que l’ajout de toutes les étapes annexes à la pure fabrication (transport, marketing…).

Bien qu’aucun comparatif industriel n’ait pu être fourni, ce prix semble abordable étant donné le type de pièce formé.


A

7 Conclusion

Ce projet traite dans les grandes lignes la totalité des étapes nécessaires à la réponse à un besoin exprimé de manière claire et concise à travers un cahier des charges fonctionnel. La réponse à ce besoin tient compte de plusieurs facteurs tels que : les matériaux, les procédés et les coûts associés. Pour choisir les meilleures solutions il faut faire en sorte que le besoin des consommateurs soit satisfait et que la pérennité de l'entreprise soit assurée (marge sur produit suffisante pour garantir l'autofinancement de l'entreprise idéalement).

Les enjeux environnementaux devenant de plus en plus importants (ex : REACH, émissions de CO2, etc.), les industriels sont contraints de proposer des pièces davantage respectueuses vis à vis de l'environnement. L'industrie automobile étant particulièrement touchée par ces réglementations environnementales, notamment en raison des émissions de CO2 et polluants par les véhicules, elle se tourne désormais vers des matériaux plus "vert" comme les agro-composites. Ces matériaux présentent certains avantages tels que : la faible consommation d'énergie lors de leur mise en forme, la recyclabilité, la légèreté (qui à terme réduit les émissions CO2 des véhicules).

Cette étude montre le réel intérêt de l’utilisation de ces matériaux « verts ». En effet, outre leur neutralité au niveau des émissions de CO2, ils possèdent de bonnes propriétés spécifiques, peuvent être obtenus toute l’année à de faibles coûts et sont relativement peu denses. Hormis la favorisation des cultures agricoles au dépend du pétrole, ils représentent une véritable alternative aux polymères totalement pétro-sourcés notamment avec l’arrivée des matrices bio-sourcées : PP « vert ».

Les réelles limites de cette étude sont le faible niveau de recul sur ces matériaux (tenue dans le temps, tenue en fatigue…) et l’absence partielle de données (logiciel CES, littérature). En revanche, elle montre bien le levier d’action que représente ces nouveaux types de matériaux pour l’industrie automobile en terme de réduction d’émissions de CO2 et d’allègement.

Par la suite, les voitures seront peut-être majoritairement biosourcées…


A

Bibliographie

Articles d’encyclopédies

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[FRA97] FRANÇOIS BERBAIN et ALAIN CHEVALIER, 1997. Mise en œuvre des composites - Méthodes et matériels [en ligne]. Techniques de l’ingénieur. S.l. : s.n. A3720. [Consulté le 3 mai 2016]. Disponible à l’adresse : http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/42474210-plasturgie-procedes-specifiques-aux-composites/download/a3720/mise-en-%C5%93uvre-des-composites.html.

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Présentation

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A

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[JUL08] JULIEN HUMBER, 2008. Conception, élaboration et production d'agr-ocomposite à partir de tourteau de tournesol : étude du procédé d'extrusion-formulation-granulation et d'injection-moulage. Toulouse : Université de Toulouse. Disponible à l’adresse : http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00001390/01/humbert.pdf


A

Table des figuresFIGURE 1 : ILLUSTRATIONS DE PLANTES SERVANT À LA PRODUCTION DE FIBRES NATURELLES--------------------------------5FIGURE 2 : PLANCHES DE SURF KAIROS EN BIOCOMPOSITES---------------------------------------------------------------------6FIGURE 3 : PANNEAU DE PORTIÈRE RÉALISÉ EN AGRO-COMPOSITES-------------------------------------------------------------7FIGURE 4 : SCHÉMA D'ENSEMBLE DE LA PLANCHE DE BORD DE LA PEUGEOT RCZ RACING CUP [PEU16]-------------------8FIGURE 5 : OBJECTIFS FUTURS DU SECTEUR AUTOMOBILE------------------------------------------------------------------------9FIGURE 6 : BÊTE À CORNE - PLANCHE DE BORD AUTOMOBILE------------------------------------------------------------------10FIGURE 7 : DIAGRAMME PIEUVRE - PLANCHE DE BORD AUTOMOBILE----------------------------------------------------------11FIGURE 8 : SCHÉMA DE SÉLECTION DES MATÉRIAUX AVEC LE LOGICIEL CES--------------------------------------------------15FIGURE 9 : DIAGRAMME DES ÉTAPES SUIVIS ET DES RÉSULTATS OBTENUS SUR CES------------------------------------------15FIGURE 10 : MODÉLISATION SCHÉMATIQUE DE LA PLANCHE DE BORD CONSIDÉRÉE------------------------------------------18FIGURE 11 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU SMC-------------------------------------------------------------------------19FIGURE 12 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU PROCÉDÉ RTM-------------------------------------------------------------20FIGURE 13 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU PROCÉDÉ RRIM------------------------------------------------------------21FIGURE 14 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU PROCÉDÉ DE MOULAGE PAR INJECTION DE THERMOPLASTIQUES---------22FIGURE 15 : ANALYSE DE COÛT POUR LE MATÉRIAU ET LE PROCÉDÉ SÉLECTIONNÉS-----------------------------------------24


A

Table des tableauxTABLEAU 1 : AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DES FIBRES NATURELLES...........................................................................................5TABLEAU 2 : CAHIER DES CHARGES FONCTIONNELLES.......................................................................................................................12TABLEAU 3 : LIMITES IMPOSÉES AU MATÉRIAU CRÉÉ ET UTILISÉES LORS DU CHOIX DES MATÉRIAUX SUR CES.....................13TABLEAU 4 : DÉTERMINATION DES INDICES DE PERFORMANCE POUR LA RÉALISATION D'UNE PLANCHE DE BORD...............14TABLEAU 5 : CARACTÉRISTIQUES DES DIFFÉRENTS TYPES DE RENFORTS.......................................................................................16TABLEAU 6 : CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES DES AGRO-COMPOSITES SÉLECTIONNÉS.............................................................16TABLEAU 7 : COMPARAISON DES MATÉRIAUX SÉLECTIONNÉS...........................................................................................................17TABLEAU 8 : AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DU PROCÉDÉ SMC...................................................................................................19TABLEAU 9 : AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DU PROCÉDÉ SMC...................................................................................................20TABLEAU 10 : AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DU PROCÉDÉ RRIM..............................................................................................21TABLEAU 11 : AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DU PROCÉDÉ DE MOULAGE PAR INJECTION DE THERMOPLASTIQUES...........22TABLEAU 12 : COMPARAISON DES DIFFÉRENTS PROCÉDÉS DE MISE EN FORME............................................................................23TABLEAU 13 : ANALYSE DU COÛT GLOBAL DE FABRICATION.............................................................................................................30


A

Annexes

Annexe 1 : Réduction des émissions CO2 dans le secteur automobile

La réduction des émissions de CO2 est l'un des enjeux principaux du secteur automobile. La figure ? présente les objectifs de réduction de CO2 pour les années à venir.

Afin de parvenir à ces objectifs, les industriels ont plusieurs leviers. Le tableau ci-dessous résume ces différents leviers d'action.

Réduction de CO2 Équivalences Réduction - GainEfficacité de la chaîne de traction Réduction de 10% de la consommation ≈ Gain

de 13 g de CO2Masse du véhicule Réduction de 110 kg ≈ Gain de 10 g de CO2Aérodynamisme Réduction de 5 dm2 SCx ≈ Gain de 2 g de CO2

Résistance au roulement Résistance au roulement - 10% ≈ Gain de 2 g de C02

Pièces d'aspect

La tendance automobile est donc à l'allégement du poids des véhicules, notamment pour des pièces d'aspect qui n'ont aucun intérêt fonctionnel. Pour réduire la masse de ces pièces il existe plusieurs leviers techniques :

la réduction de l'épaisseur des pièces la sélection d'un matériau avec une faible densité


A

la réduction de la surface de la pièce (en conception) ou autrement compactage (Remarque : un gain de 1 cm représente en moyenne un gain de 1 kg en terme de poids, en fonction de la zone concernée.)

La figure ? présente la répartition des masses dans un véhicule ainsi que la part de chaque matériau dans un véhicule.

On voit que la catégorie "In Car Equipment" parmi laquelle figure des pièces telles que la planche de bord représente une part considérable dans le poids d'un véhicule.

Ainsi, pour réduire les émissions de CO2, les industriels ont recours de plus en plus à des matériaux polymères et composites, voire agro-composites. La figure ? représente les ambitions du groupe PSA pour les années à venir.

Pièces structurales


A

Concernant les pièces structurales, le gap est plus difficile à franchir car ces pièces sont sollicitées mécaniquement d'ou la nécessité d'une conception soignée. La figure ? explique les difficultés liées au passage de pièces structurales en acier à des pièces structurales en composites.


A

Annexe 2 : Détermination des indices de performance

Planche de bord rigide pour éviter les vibrations

Contexte : Outre l'aspect esthétique, la planche de bord a pour fonction de maintenir les différents composants électroniques en position et de minimiser les vibrations des composants du tableau de bord, dues au phénomène de résonnance.

Modélisation : On assimilera la planche de bord à une plaque rectangulaire qui vibre de façon sinusoïdale. La puissance P consommée par la planche de bord s'écrit alors comme suit :

P=C1 .m . A2. ω3 (1)

Avec : C1 : Une constante qui se rapproche de l'unité lorsque la fréquence de travail est largement inférieur à la fréquence de résonnance de la planche de bord

m : La masse de la planche de bordA : L'amplitude de vibrationω : La fréquence de vibration

Objectif : L'objectif est de minimiser les pertes de puissance dues à la vibration de la planche de bord. Il est à noter que le seul moyen de réduire ces pertes de puissance est de minimiser la masse, étant donné que l'amplitude de vibration (A) et la fréquence de vibration (ω) sont données par la géométrie de la pièce.

En assimilant la planche de bord à une plaque rectangulaire, sa masse s'écrit :

m=L . l . e . ρ (2)

Avec : L : La longueur de la planche de bordl : La largeur de la planche de borde : L'épaisseur de la planche de bord (variable libre)ρ : La masse volumique du matériau de la planche de bord

Astreintes : La planche de bord doit être suffisamment rigide pour éviter la distorsion qui peut survenir en raison des efforts de fixation exercés sur les côtés de la planche mais aussi pour réduire la fréquence propre de vibration de la pièce. En considérant des moments uniformes sur les côtés de la plaque comme représenté dans la figure ?, et en prenant : M y=0, le moment M x s'écrit :

M x=−E . e3

12.(1−ν2). γ x (3)


A

L'épaisseur de la planche de bord (variable libre) s'exprime donc comme suit :

e=(F .l .12. (ν2−1)

E . γ x)

1 /3

(4)

Fonction Maintient des composants du tableau de bord en position

Objectif Limiter les vibrations (phénomène de résonnance)

Astreintes (1) Longueur L et largeurs l spécifiées(2) Rigide pour éviter la distorsion qui peut

survenir en raison des efforts de fixation(3) Fréquences propres supérieures aux

fréquences de travail pour éviter le phénomène de résonnance

Calcul de l'indice de performance :

En substituant l'expression e par la relation (4) dans (2), nous obtenons :

m=¿ (5)

La masse de la planche de bord et par conséquent la puissance P consommée seront minimisés en choisissant le matériau avec la plus grande valeur de l'indice :

I p 1=E1/3

ρ(6)

Grande ténacité pour résister aux efforts de fixation

Contexte : Le tableau de bord est fixé sur le châssis automobile au niveau des extrémités.

Objectif : La planche de bord ne doit pas se déformer plastiquement. La loi de Hooke donne :


A

σ=E . ε (1)

Avec : σ : La contrainte de fixationE : Le module d'Young du matériauε : La déformation

Astreinte : Le matériau qui constitue la planche de bord doit être suffisamment tenace pour pouvoir résister aux efforts de fixation sur les extrémités de la pièce. On a :

K1 c=Y . σc .(π . a)1 /2 (2)

Avec : K1 c : Le facteur critique d'intensité de contraintesY : Le facteur géométrique dépendant de la forme de la fissureσ c : La contrainte nécessaire à la propagation des fissures de diamètre 2aa : Le demi-diamètre de fissure

Fonction Être fixable sur le châssis automobileObjectif Pas de déformation plastique

Astreintes (1) Grande ténacité pour résister aux efforts de fixation


En substituant σ par (1) dans (2), nous obtenons :

ε= 1Y

.(π .a)−1/2 .( KE

) (3)

Pour obtenir le matériau le plus performant, il faut donc maximiser l'indice de performance ci-dessous :

I p 2=EK (4)

Planche de bord légère et bon marché

Contexte : Les objectifs environnementaux de réduction d'émission de C02 par les véhicules peuvent s'accomplir comme on l'a vu dans la figure ? soit en optimisant le moteur, soit en allégeant le véhicule, soit en optimisant l'aérodynamisme.

Objectif : Or la planche de bord étant une pièce non moteur et se situant à l'intérieur du véhicule, la seule façon d'optimiser cette pièce dans l'optique d'obtenir de meilleurs performances d'émission de C02 est d'alléger la masse de la pièce.

m=ρ . V (1)


A

Astreintes : Le coût est un facteur important à prendre en considération dans le cahier des charges. Le coût massique s'exprime comme suit :

C=Cm. m (2)

Fonction -Objectif Être léger

Astreintes (1) Respecter le budget - Être le plus économique possible


En substituant m par (1) dans (2), nous obtenons :

C=Cm .m=Cm . ρ.V (2)Le matériau le plus léger et le moins cher sera donc celui avec l'indice de performance I p3 le plus grand.

I p 3=Cm. ρ (3)


A

Annexe 3 : Choix des matériaux avec le logiciel CES

1. Contraintes


A

2. Premier indice de performance (Ip1 = E(CO2)ρ)


A

3. Deuxième indice de performance (Ip2 = Cmρ)


A

4. Troisième indice de performance (𝐼𝑝3= E1/3𝜌)


A

5. Quatrième indice de performance (Ip4=EK

¿


A

6. Sélection finale de matériaux après l’introduction de la notion de recyclabilité


A

Annexe 4 : Pondération des propriétés - Cahier des charges


A

Annexe 5 : Principe de fabrication des planches de bord Faurecia


A

projet cs05 - les agrocomposites dans l'automobile

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