Matériaux

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Choix des matériaux

Dans les voitures actuelles (2003) les matériaux métalliques représentent 71% de la masse du véhicule. Ensuite, 20% de matières organiques (plastique, caoutchouc), 4% d'origine minéral comme le verre, 5% pour les autres matériaux comme les liquides.

Le matériau est choisi sur un ensemble de paramètres, résumés par QCDP (qualité, coût, délais et poids).

Le choix d'un matériau s'effectue tout d'abord en faisant la liste des matériaux qui répondent au cahier des charges demandé (rigidité, élasticité, fatigue mécanique ou thermique, résistance à la corrosion ou à l'usure, conductivité thermique, toucher, aspect, etc.). C'est surtout la fonction de la pièce qui prédomine. Ce matériau doit ensuite être compatible avec les process de fabrication (emboutissage, usinage, montage, peinture, etc.) utilisés dans l'automobile (très grande série, cadences de production variant de 100 à 2 500 véhicules/jour). ce sont ces cadences par exemple qui explique la faible présence de l'aluminium dans l'automobile, sa légèreté imposant de revoir aux process (soudage et retouches) conçus pour l'acier.

Pour choisir un matériaux, les constructeurs prennent d'abord celui qui coûtera le moins cher. Ils regardent le coût global (achat + transformation + assemblage), ainsi un matériau cher à l'achat mais qui s'usinera plus facilement, ou qui présentera moins de déchets d'usinage, ou encore qui moulé d'une seule pièce fera gagner du temps de montage, aura sa chance. Par exemple, les polymères plus chers que le métal permettent de remplacer un assemblage de pièces d'acier usinées par une seule pièce moulée, ce qui économise l'usinage et le montage en usine.
La stabilité du prix du matériau est aussi un facteur, ainsi que son évolution dans le futur. Par exemple, suite aux évolutions de procédés certains matériaux verront leurs prix diminuer (comme les fibres de carbone (150 euros/kg en 1990, 15 €/kg en 2003) ou les céramiques), tandis que d'autres, du fait de leur raréfaction ou des coûts de retraitement imposés par de futures législations verront leur prix augmenter.
Par exemple, la TPV prévue pour être en duralumin verra sa carrosserie être faite en acier lors du lancement de la deuche suite à l'augmentation du prix de l'aluminium dans l'après guerre. Les prix doivent être stables tout le long de la vie du modèle.

Suite aux normes anti-pollution de plus en plus sévères, on regarde ensuite le poids, celui-ci grévant les performances d'un véhicule. Surtout qu'avec l'évolution du confort et des équipements de sécurité (comme l'airbag et les renforts d'habitacle) le poids des voitures à tendance à augmenter. On fait donc appel aux matériaux de basses densités comme l'aluminium, le magnésium ou les polymères renforcés de fibres (aujourd'hui en verre, demain en carbone).

L'aspect tactile et visuel joue un rôle de plus en plus prépondérant, avec l'évolution du design.

Enfin, le matériau doit être recyclable, ce qui est un des freins principaux à l'utilisation de résines polymères, non recyclables. Les plastiques dans une automobile restent fixés à 15% à peu près. Exit les carrosseries en composite des années 70 (Alpines, Matra, ...)!

Le multimatériau

On associe de plus en plus des matériaux aux caractéristiques différentes afin d'additionner les propriétés de chacun. On rencontre alors des problèmes comme la dilatation thermique différente, les accroches à la peinture différents.
Si l'usage de matériaux différents s'effectue au sein d'une même pièce, on parle alors de pièces hybrides.

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Les polymères

Ce sont des matières plastiques, c'est à dire susceptibles d'acquérir une déformation permanente sous l'action d'une contrainte. Elles sont constituées de longues chaînes ramifiées, les polymères, assemblage de molécules élémentaires, le monomère.

1/ Les thermoplastiques : durcissent en refroidissant, cycle réversible, pas de transformation définitive de la matière.

2/ Les thermodurcissables (ou thermodurs): durcissent à une température critique déclenchant des réactions irréversibles (avec perte de masse => retrait). Les propriétés mécaniques sont supérieures aux thermoplastiques, et les longueurs de chaînes bien inférieures.

Nom des différents polymères existants :

Thermoplastiques	Thermodurs
PA : Polyamide PC : PolyChlorure PE : Polyéthylène PP : Polypropylène PVC : PolyChlorure de Vinyle	PF : Phénoplastes UP : Polyester insaturé EP : Polyepoxydes

La structure des polymères peut être :

- Amorphe (faible retrait, stabilité dimensionnelle, difficile à étirer, plage de ramollissement, grande fluidité)
ex : PMMA, PC, PVC.

- Cristallin (Résistant à la fatigue dynamique, Tenue chimique, Possibilité d'étirement, Point de fusion net, Faible coefficient de friction)
ex : PE hd, PP, PA

Effet de la température (dans le sens croissant) :

Tg : Température de transition vitreuse (rupture des liaisons secondaires, plastique devient plus malléable, pouvant être formé). Le plastique passe d'une phase solide à une phase "fluide" (analogie avec l'eau liquide qui à perdue ses liaisons de Van der Waals, qui sont présentes dans la glace).

TFC : Température de fléchissement sous charge (comportement caoutchoutique).

Tf : Température de fusion (passage à l'état liquide).

Les thermoplastiques

Le polyéthylène (PE) (CH₂-CH₂-)_n

Monomère symétrique : On rompt la double liaison entre les C de l'éthylène gazeux CH₂=CH₂ pour l'accrocher à deux autres molécules CH₂-CH₂-

Sa densité varie suivant la forme de sa chaîne carbonée, constituant le squelette de la macromolécule.

PE hd : haute densité. Zones cristallines, meilleure tenue mécanique.

PE md : moyenne densité.

PE bd : basse densité.amorphe, transparent

Avantages	Inconvénients
Mise en oeuvre aisée Isolation thermique et électrique Bonne résistance au choc Grande inertie thermique Tg=-110°C	Sensible aux UV Sensible à la fissuration sous contrainte Mauvaise tenue à la température Collage très difficile Retrait important Brûle Tf = 110 à 130°C TFC = 30 à 40°C (PEbd) = 45 à 55°C (PEhd)

Autres dérivés de l'éthylène :
- Le téflon (tétrafluoroéthylène - le fluor remplace les atomes d'hydrogène) : C'est le plastique résistant le mieux à la chaleur (jusqu'à 300°C), très peu adhérent et faible coefficient de frottement.

Le polypropylène (PP)

Avantages	Inconvénients
Bonne tenue thermique : Tf = 170°C Rigide : TFC = 100°C Charge de rupture élevée Bonnes propriétés en fatigue de flexion Inertie chimique Alimentaire	Faible stabilité aux UV Collage très difficile Fragile à froid : Tg=-10°C Brûle

Le polychlorure de vinyle (PVC)

Son monomère et son polymère ne sont pas dissous dans l'eau.
Les additifs sont des plastifiants (pour le PVC souple : grosses molécules entre les chaînes rendant le plastique plus souple), des lubrifiants (produits lisses pour le démoulage), des charges minérales (pour le volume), colorants, pigments, antistatiques.

Avantages	Inconvénients
Bonne rigidité jusqu'à 70°C Stabilité dimensionnelle (ne flue pas dans le temps) Auto-extinguible Alimentaire Bonnes tenue chimique Tf = 160-170°C Tg = 75-105°C (PVC rigide) Tg = - 40 °C (PVC souple)	Fragile aux basses températures Sensible aux UV PVC souple non Alimentaire

Le polystyrène (PS)

Contient dans son monomère un noyau benzénique.
Plusieurs forme, la plus connue étant la mousse expansée, ainsi que les barquettes alimentaires transparentes.

Avantages	Inconvénients
Rigide : Tg = 90°C Stabilité dimensionnelle Alimentaire Bon isolant Faible retrait Transparent	Cassant Peu résistant aux chocs Electrostatique Résiste mal aux essences Brûle

Le styrène est employé avec d'autres polymères, ce qui donnent les copolymères du styrène suivants :
- Le styrène butadiène (CH₂=CH-CH=CH₂) : PS choc ou caoutchouc SBR
- Styrène acrylonitrile : SAN
- Acrylonitrile-Butadiène-Styrène : ABS (revêtement de bois (Formica), enjoliveurs de jantes, carrosserie de méhari...). L'Acrylonitrile apporte les propriétés mécaniques, le butadiène (des petits nodules caoutchouteux) apporte les propriétés élastomère (souplesse du plastique), et le styrène apporte la transparence et sert de résine aux deux précédents polymères.

Les polyamides (PA)

Les plus connus sont le nylon et le rilsan. Ces polymères sont obtenus par polycondensation (comme les thermodurs), mais le matériau peut être remodelé par chauffage, c'est encore un thermoplastique.

Avantages	Inconvénients
Bonne propriétés mécaniques, notamment la résistance à la traction Bonne résistance à l'abrasion Bonne résistance chimique Auto-extinguible Bonne isolation électrique Facile à fibrer (fabrication de fils)	Mauvaise tenue à l'eau bouillante mise en oeuvre compliquée (étuvage)

 

Les thermodurcissables

Les phénoplastes (PF)

Avantages	Inconvénients
Excellente tenue en température (Tf élevée) Faible retrait Bonne tenue chimique Bonnes propriétés mécaniques (> thermoplastiques) Bonne tenue au fluage Auto-extinguible (Infusible) Prix compétitif Isolant	Non alimentaire Colorés mise en oeuvre à faible cadence (moulage en minutes) Pertes diélectriques importantes (limites l'usage en HF).

Les polyesters insaturés (UP)

On l'utilise comme une matrice dans les matériaux composites, grâce à ses bonnes propriétés de collage. Les chaînes de la résine insaturée possède des sites d'accrochage. Lors de la mise e forme, on applique un durcisseur sur la résine (comme le styrène, réalisant le pontage entre les chaînes en se plaçant sur les sites insaturés des chaînes), qui provoque la réticulation (les chaînes s'accrochent les unes aux autres), puis le durcissement de la matière (saturation des chaînes).
Résine utilisée avec comme renforts des fibres de verre principalement.

Avantages	Inconvénients
Facilité de mise en oeuvre (à froid) Bonne tenue chimique Grande stabilité dimensionnelle Transparente, colorations variées Bonnes caractéristiques mécaniques (surtout si renforts)	Retrait important Inflammable Mauvaise tenue à l'eau bouillante et aux bases

Les polyepoxydes (EP)

La réticulation et le durcissement se font comme l'UP sous l'effet d'un catalyseur appelé durcisseur. Par exemple l'araldite (nom de marque) : composée de 2 tubes, l'un pour la résine (les chaînes), et l'autre pour le durcisseur (le réticulant, liant les chaînes entre elles dans un système 3D, sans perte de matière).
Utilisée avec les fibres de carbone.

Avantages	Inconvénients
Excellentes propriétés mécaniques Bonne tenue chimique Excellente tenue en température Bonne stabilité dimensionnelle Faible retrait Adhérence remarquable sur tout supports Auto-extinguible	Cycle de réticulation long Démoulage délicat (moules silicone)

 

Utilisation des polymères dans l'automobile

Longtemps confinés dans l'habitacle (sauf pour les coupés sports à carrosserie composite, ou pour les méharis à carrosserie ABS!), ils se retrouvent maintenant dans :
- Les tubulures d'admission moteur, réalisées en polyamide renforcé avec de la fibre de verre, soit un gain de 20% en poids et 30% en coût par rapport au métal.
- Les vitres de phares, réalisées en polycarbonate, plus léger que le verre (densité de 1, contre 2,5 pour le verre organique), tenant mieux aux chocs, et pouvant avoir des formes complexes (le verre est difficile à former, voir les pare-brise plat des deuches et méhari). Ses défauts sont une plus grande sensibilité aux rayures, et un coefficient de dilatation supérieur.
- Les hayons de coffre, réduisant le poids et autorisant des formes complexes.
- Les planchers arrières, zone de la structure, donc recevant des contraintes mécaniques importantes. Pour empêcher les vibrations, les planchers modernes sont nervurés, comme sur la méhari d'il y a 35 ans!
- A terme, la carrosserie sera réalisée en partie en fibres de carbone.

à suivre...