Essais & Simulations n°126

dossier Mondial de

dossier Mondial de l’Automobile Retour d’expérience Les pièces en composites prennent forme avec la simulation Benedikt Eck (à droite) et Guillaume Chambon (à gauche) sont respectivement ingénieur de recherche et responsable R&D Produit au sein de Faurecia Automotive Composite Technologie. Diplômé de la TU München et de Centrale Paris, Benedikt Eck a mené une thèse sur l’optimisation des pièces composites à Centrale de Nantes dans le cadre de la Chaire Composite Faurecia. Guillaume Chambon est ingénieur spécialisé en produits et structure. Chez Faurecia depuis 2006, il est devenu responsable Simulation et Validation au sein de la division Europe du sud de Faurecia Automotive Exteriors puis responsable Recherche et Simulation avancée pour cette même filiale. À l’occasion du dernier séminaire Nafems qui s’est déroulé à Charenton en juin dernier, Benedikt Eck et Guillaume Chambon, de Faurecia Automotive Composite Technologie ont présenté un exemple de simulation du formage de pièces composites automobiles. Le point avec les deux intervenants. Sur quoi portent précisément vos activités ? Division de Faurecia (équipementier auto de rang 1, 6 e mondial), Faurecia Automotive Composite Technologies est dédiée au déploiement de solutions composites pour l’allégement des véhicules, afin d’accompagner les constructeurs dans la réduction d’émission de CO 2 . Elle agit de bout en bout sur la chaîne « Composite » (recherche universitaire, recherche et innovation industrielle, développement puis production) pour accélérer l’intégration de pièces composites dans les véhicules. Les efforts sont concentrés sur la réduction des coûts matière et procédés et la mise en place des outils Engineering performants tels que la simulation numérique. En effet, dans un contexte automobile (contraintes de coût, délai et qualité de développement) et pour être à même de concurrencer d’autres technologies dont les outils de développement sont maintenant très aboutis, il est indispensable de disposer d’outils de développement également performants. L’absence d’outils à ce niveau rendrait alors l’intégration de pièces composites incompatible de planning ou apporterait un surcoût par des essais supplémentaires de mise au point. À ce titre, nous travaillons notamment sur la simulation des procédés et produits composites. Qu’appelle-t-on le formage ? Il s’agit d’un procédé industriel qui consiste à donner une forme fonctionnelle à de la matière par déformation de celle-ci – en comparaison avec les méthodes de fabrication additives ou à l’enlèvement de matière par usinage, par exemple. Dans le domaine des composites renforcés de fibres, on peut regrouper plusieurs procédés sous le nom formage. Une première possibilité est la compression de matière chauffée. Via cette compression, la matière commence à fluer et crée ainsi la géométrie de la pièce. Le procédé phare de cette catégorie est le SMC (Sheet Molding Compound). Structure en composites de Lotus Evora 50 Iessais & SIMULATIONS • N°126 • Octobre-Novembre 2016

Mondial de l’Automobile dossier Pièce issue du procédé de formage Plus souvent, on parle du formage des composites lors que l’on met en forme complexe des feuilles de composites renforcées de fibres continues qui sont de base ortho- ou anisotropes. Cette mise en forme peut se faire pour la matière à l’état sec (on parle du préformage qui précède en général un procédé d’injection comme le RTM – Resin Transfer Molding), ou pour des prépregs. Ceux-ci sont des renforts de fibres (tissées ou unidirectionnelles) imprégnés de matrice thermoplastique. Dans ce deuxième cas, on parle du thermoformage. Dans la suite nous allons nous concentrer sur ces deux procédés. Quelle est la particularité de cette technologie, notamment pour les matériaux composites ? Le formage intervient dans pratiquement tous les procédés assez matures pour la production de pièces dans des cadences automobiles : là où pour le métal on parle par exemple d’emboutissage, pour les composites on entendra parler de SMC, de thermoformage ou de préformage (étape de préparation pour le procédé RTM). Dans tous ces procédés, la matière subit des transformations importantes, surtout pour des géométries complexes. Le procédé a donc une énorme influence sur la performance mécanique du produit final. En général, ces procédés sont très sensibles (position de la matière, séquence de formage, conditions d’essais…). En revanche, une fois que les bons paramètres procédés sont mis au point, les résultats sont très répétables, surtout si le procédé a été automatisé. Pour les matériaux composites la technologie permet de bénéficier des hautes performances mécaniques des fibres continues, y compris sur les formes complexes, tout en étant compatible avec les contraintes de coût et de temps de cycle requis pour les grosses cadences automobiles. À noter également que le procédé de thermoformage peut aussi être combiné avec une étape de surmoulage (procédé « Composite one-shot process for visible parts », récompensé par le JEC Innovation Award) ; l’idée de ce procédé est d’augmenter les fonctionnalités d’une pièce tout en bénéficiant des bonnes propriétés mécaniques d’une zone avec des fibres continues. Il est, de plus, possible de faire du sur-mesure en positionnant la bonne matière au meilleur endroit et ainsi, de réduire les chutes et les coûts de matière. Le procédé consiste à chauffer une plaque de prépreg. Une fois ductile, cette matière est mise en forme par la fermeture des deux parties du moule. Directement après cette étape, de la résine renforcée de fibres courtes sera injectée pour remplir une cavité autour du prépreg formé. Le prépreg étant chaud durant l’injection l’adhérence entre celui-ci et la matière injectée est parfaite. Cette matière qui vient surmouler l’insert tissé, assure la consolidation de celui-ci ainsi que l’ajout de fonctions (interfaces, clips, grainage…) et un état de surface adéquate. Quelles sont les contraintes de ce procédé et en quoi la simulation numérique est-elle indispensable ? Le formage est un procédé qui induit des cinétiques de matière complexes, spécialement lorsqu’il est appliqué sur des matériaux composites de base ortho- ou anisotropes. En effet, la Forming Agglomeration Structure en composites d’Aston Martin Vantage essais & SIMULATIONS • N°126 • Octobre-Novembre 2016 I51