Comment les processus de fabrication permettent d'alléger l'automobile

L'allègement des véhicules est essentiel pour améliorer l'économie de carburant des véhicules à moteur à combustion interne et pour augmenter l'autonomie des véhicules électriques (VE). En réduisant le poids du véhicule de 10%, on peut améliorer la consommation de carburant de 6 à 8% et réduire les émissions de dioxyde de carbone. ^[1]. La réduction de la consommation de carburant se traduit également par une réduction des émissions, ce qui est excellent pour la durabilité environnementale.

Au-delà de l'économie de carburant et de l'amélioration de l'autonomie, l'allègement des automobiles peut considérablement améliorer les performances, notamment en matière de freinage, de maniabilité et d'accélération. En outre, la fabrication de véhicules légers réduit la pression exercée sur les suspensions, les freins et les pneus, ce qui diminue l'usure. À long terme, ces pièces dureront plus longtemps et nécessiteront moins d'entretien.

Alors, comment les fabricants peuvent-ils alléger les pièces automobiles ? Peut-on y parvenir en remplaçant simplement les matériaux traditionnels par des alternatives légères, ou cet objectif nécessite-t-il de repenser la conception des pièces automobiles ?

Démystifier le “mythe du novice” en matière de fabrication légère

De nombreuses idées fausses sont associées à la fabrication de pièces automobiles légères. Une école de pensée affirme que la légèreté peut être obtenue par le choix des matériaux. En d'autres termes, une automobile peut être allégée simplement en adoptant des matériaux plus légers.

Sur la base de cette idée fausse, ils considèrent les processus de fabrication comme moulage par injection pour l'industrie automobile, l'outillageet Usinage CNC La seconde école de pensée est que l'utilisation de matériaux plus légers compromet la sécurité. La seconde école de pensée est que l'utilisation de matériaux plus légers compromet la sécurité. Aucune de ces écoles de pensée sur la fabrication de véhicules légers n'est vraie.

En fait, il a été démontré que les composites modernes offrent une meilleure résistance aux chocs ^[2]. Ils sont plus efficaces pour absorber l'énergie d'impact que les métaux utilisés dans les automobiles traditionnelles.

Fabrication de véhicules légers par moulage par injection

Il ne fait aucun doute que le choix du matériau joue un rôle important dans l'allègement. Toutefois, il est possible d'obtenir une résistance et une forme optimales sans augmenter le poids grâce à l'optimisation de la conception et à des pratiques de fabrication innovantes, comme indiqué ci-dessous :

1. Creusement de sections pour réduire l'utilisation de matériaux

Les pièces volumineuses peuvent être créées avec des sections intérieures creuses. Ce vide est généralement obtenu par moulage par injection assisté par gaz ou le moussage. Par exemple, dans le cas du moussage physique, de l'azote ou du dioxyde de carbone sont injectés dans le plastique fondu. Le gaz provoque l'expansion du plastique fondu dans le moule. Le plastique fondu emprisonne les bulles de gaz, créant une structure interne poreuse qui ressemble à une mousse.

Le moussage chimique est également souvent utilisé et implique l'ajout d'un agent gonflant chimique (ACS) comme l'azodicarbonamide (ADC) et le bicarbonate de sodium ou l'acide citrique, à la résine. En chauffant, l'agent gonflant chimique se décompose et libère du gaz pour créer le même effet que celui de la mousse physique. Le moussage crée une peau extérieure solide et un noyau en forme de mousse. Cela permet de réduire l'utilisation de matériaux et de maintenir la légèreté du produit, sans nuire à sa stabilité dimensionnelle.

2. Utilisation des nervures pour compléter les structures à parois minces

Une autre pratique importante dans la construction automobile légère est l'utilisation de techniques de fabrication avancées (comme le moulage par injection de parois minces et le formage sous vide) pour créer des pièces avec des parois plus minces (<1 mm d'épaisseur), tout en préservant l'intégrité structurelle de la pièce.

Cette technique de moulage par injection utilise des pressions élevées, des vitesses (>1000mm/s) et des machines de pointe pour assurer un remplissage correct des cavités minces. Les parois minces sont généralement soutenues par des nervures et goussets pour assurer la rigidité et la solidité là où ces propriétés sont requises. Les nervures peuvent également prévenir des défauts tels que marques d'évier.

3. Consolidation de plusieurs parties

Lorsqu'une pièce automobile est composée de plusieurs éléments, chacun d'entre eux doit être soudé ou fixé ensemble. L'agent de soudage ou de fixation finit par augmenter le poids de la pièce finie. Dans la fabrication légère, les pièces trop complexes sont redessinées pour faciliter leur production par un seul processus de moulage par injection.

La consolidation de plusieurs pièces en une seule unité moulée élimine le besoin de fixations secondaires, telles que les rivets et les boulons, ce qui réduit le poids de la pièce. Cependant, les moules pour la création de modèles à encliqueter qui ne nécessitent pas de fixations supplémentaires lors de l'assemblage peuvent nécessiter l'ajout de élévateurs ou curseurs, ce qui risque d'en augmenter le coût. La consolidation des pièces présente d'autres avantages pour les poids légers de l'industrie automobile :

• La création de structures à partir d'une seule pièce continue présente généralement une plus grande intégrité structurelle que la création de plusieurs pièces assemblées, qui peuvent présenter des points faibles au niveau des joints.
• La consolidation permet aux fabricants de créer plus de pièces en utilisant moins de main-d'œuvre et à un coût réduit.

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Fabrication de poids légers pour l'automobile à l'aide de l'usinage CNC

L'usinage à commande numérique par ordinateur (CNC) est l'une des méthodes de fabrication soustractive les plus courantes. Dans ce processus de fabrication, un logiciel préprogrammé commande une machine-outil pour découper avec précision un bloc de matériau (bois, plastique ou métal) en une pièce ou un produit souhaité.

Le haut niveau de précision de l'outil d'usinage rend cette technique utile pour la création de modèles complexes. En outre, le haut niveau d'automatisation élimine les erreurs et les interventions humaines, ce qui peut aider les fabricants à réduire les coûts de main-d'œuvre. Les composants automobiles légers les plus courants créés à l'aide de cette technique sont les suivants :

• Composants de moteurs de véhicules électriques et systèmes de refroidissement
• Châssis et suspensions, y compris les bras de contrôle et les supports
• Les pièces du moteur, y compris le bloc moteur, les pistons, les culasses et les vilebrequins.

L'une des raisons pour lesquelles l'usinage CNC est essentiel pour la fabrication de produits légers est sa polyvalence. Il peut être utilisé pour créer des pièces à partir de différents matériaux, notamment l'aluminium, la fibre de carbone, les alliages de titane, le magnésium et d'autres plastiques spécialisés. Ces matériaux sont souvent choisis pour leur rapport poids/résistance.

Il est essentiel de maintenir une grande précision dimensionnelle lors de la création de composants légers optimisés. Les imprécisions dans les dimensions peuvent compromettre les performances, la fonctionnalité ou l'intégrité structurelle du produit ou de la pièce. L'usinage CNC multi-axes moderne, comme les machines à 5 axes, permet de créer des pièces multidimensionnelles complexes. Les modifications de conception avancées de la fabrication légère qui peuvent être réalisées à l'aide de l'usinage CNC sont les suivantes :

• Canaux creux ou internes complexes : Dans la conception de sections creuses de pièces automobiles telles que les composants du moteur et les plaques de refroidissement, l'usinage CNC est utilisé pour retirer avec précision des matériaux des composants internes d'une manière qui est pratiquement impossible à réaliser manuellement. Pour créer des pièces automobiles légères, cette technique peut être utilisée pour évider des sections dont la résistance n'est pas nécessaire, ce qui permet de réduire le poids de la pièce.
• Création de pièces avec des tolérances serrées : L'usinage CNC permet d'atteindre un niveau extrême de précision (environ ±0,01 mm), d'exactitude et de cohérence. Ce niveau de précision accru garantit que chaque pièce est parfaitement ajustée, ce qui peut accroître la sécurité en utilisant l'épaisseur de matériau la plus faible possible.

La haute précision de l'usinage CNC optimise la production de manière à réduire les pertes de matériaux par rapport aux autres méthodes traditionnelles. Ceci est particulièrement utile pour la fabrication de pièces automobiles légères utilisant des matériaux coûteux et de haute performance.

Automobile légère grâce à la fabrication hybride

La fabrication hybride est un terme qui décrit la combinaison de différentes techniques de fabrication pour créer des pièces légères. Par exemple, l'usinage CNC (un procédé de fabrication soustractif) est associé à la fabrication de pièces en acier inoxydable. Impression 3D (un processus de fabrication additive) pour créer des pièces complexes et légères avec des tolérances serrées qui seraient plus difficiles à obtenir avec l'une ou l'autre de ces méthodes.

Fabrication hybride utilisant l'impression 3D et l'usinage CNC

La fabrication hybride exploite les forces complémentaires des techniques individuelles en matière d'efficacité des matériaux, de conception et de finition. Une fabrication hybride légère courante combine les pouvoirs de l'impression 3D et de l'usinage CNC.

L'impression 3D est utilisée pour créer des géométries internes très complexes telles que des canaux creux ou des treillis. La fabrication hybride offre une liberté de conception inégalée par les autres méthodes. La plus grande force de ce processus de fabrication additive est de créer ce type de géométries internes complexes sans compromettre l'intégrité structurelle. Cependant, ses performances en matière de tolérance et de finition sont médiocres.

Par conséquent, après l'impression 3D de la pièce creuse à l'aide d'un matériau léger, l'usinage CNC est utilisé en post-traitement afin d'obtenir le résultat souhaité. tolérance souhaitée et précision extrême (±0,002 mm) dans la structure intérieure et une finition de surface lisse à l'extérieur (Ra0,4μm). L'utilisation d'un processus hybride de fabrication légère impliquant l'impression 3D et l'usinage CNC présente d'autres avantages, notamment :

• Une plus grande réduction des déchets matériels : L'impression 3D est d'abord utilisée pour créer la forme creuse, et l'usinage CNC ne doit enlever qu'un minimum de matière, ce qui réduit les déchets et les coûts.
• Cycles de production plus rapides : L'impression 3D et l'usinage CNC pouvant être automatisés, la combinaison des deux élimine le déplacement manuel des pièces, qui peut ralentir le processus de fabrication.
• Rationalisation du processus de production : Un logiciel intégré gère les deux processus, ce qui contribue à éliminer les inefficacités et les erreurs.

Fabrication hybride de poids légers à l'aide de l'impression 3D et du moulage par injection

L'impression 3D est souvent combinée au moulage par injection, notamment dans le procédé Voxelfill. ^[3]. Le procédé a été développé et breveté par AIM3D. Le procédé Voxelfill utilise un processus de fabrication en deux étapes pour surmonter la faiblesse associée à l'axe Z des pièces imprimées en 3D couche par couche, comme suit :

• La première étape consiste à créer la structure en treillis par impression 3D : La structure qui ressemble à un nid d'abeille est imprimée en 3D à l'aide d'un système de modélisation par extrusion de matériaux composites.
• La deuxième étape est le remplissage du treillis ou remplissage du voxel : Une extrudeuse est utilisée pour injecter un matériau thermoplastique dans les cavités internes du treillis. Le matériau de remplissage peut être de la mousse et est destiné à augmenter la rigidité et la résistance sans augmenter le poids.

L'avenir de la fabrication légère repose sur la conception multi-matériaux (MMD). Au lieu d'une substitution générale de matériaux, la conception multimatériaux place stratégiquement le meilleur matériau pour une exigence spécifique au bon endroit. Par exemple, l'acier à haute résistance peut être utilisé dans les zones qui requièrent une grande résistance aux chocs, tandis que l'aluminium est utilisé dans les panneaux extérieurs où la priorité est la réduction du poids.

Références

[1] Département de l'énergie des États-Unis. (n.d.). Matériaux légers pour voitures et camions. Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables.https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials-cars-and-trucks

[2] Université du Tennessee Knoxville. (2023, 27 février). Un doctorant teste la résistance aux chocs des matériaux composites dans des conditions sans précédent. Département d'ingénierie civile et environnementale. https://cee.utk.edu/phd-student-tests-composite-crashworthiness-in-unprecedented-depth/

[3] Engineering.com. (2022, 24 octobre). Qu'est-ce que le processus Voxelfill ? Ingénierie.com. https://www.engineering.com/what-is-the-voxelfill-process/