Quotidien des Usines

Matériaux, Aluminium et Magnésium prennent le TGV

,

Publié le

En grignotant des kilos sur toutes les parties du TGV Duplex, la SNCF a accru de 45% le nombre de voyageurs transportés. Son choix: des matériaux légers, mais plus coûteux... Pourtant, le bilan économique reste très favorable.  

 

Il faut savoir rompre avec ses habitudes! Les professionnels du ferroviaire n'ont pas hésité à franchir le pas, permettant ainsi à la SNCF de présenter cet été son TGV à deux étages, capable de transporter, à 300 kilomètres à l'heure, 545personnes au lieu de 377 sur le TGV Réseau classique. Les études ont débuté en 1987. La difficulté du projet était double: ne pas dépasser une charge de 17tonnes par essieu, tout en respectant une équation économique satisfaisante. Cette limite de 17tonnes est en fait un compromis empirique entre la vitesse du train et le coût de réfection des voies (de leur côté, les Allemands admettent pour l'ICE une charge de 20tonnes par essieu). Dans un premier temps, François Lacôte, responsable du projet Duplex à la direction du matériel de la SNCF, a demandé à Louis-Marie Cléon, chef de la division "caisse, structure et confort" de vérifier la faisabilité de l'allègement. "Au désespoir des sidérurgistes, nous nous sommes engagés assez vite vers une solution en aluminium pour la structure, explique ce dernier. Avec l'acier inox ou HLE (haute limite élastique), il manquait toujours 1tonne au bilan total de masse."


S'assurer du bon comportement de l'aluminium au crash

Avec le TGV Duplex, c'est la première fois que la SNCF utilise l'aluminium dans les pièces de structure. "Mais les alliages alu sont déjà utilisés dans le reste de l'Europe, précise Jürg Zehnder, directeur général d'Alusuisse Road and Rail, à Zürich. 80% des wagons en commande en Europe ont une caisse en alu, assure-t-il. En France, l'aluminium est présent sur le métro lyonnais, le nouveau métro parisien et le RER, ainsi que sur les nouveaux tramways de Nantes, Lille et Strasbourg.Malgré ces références, la SNCF a voulu s'assurer du bon comportement de l'aluminium au crash. Elle a mené une étude avec De Dietrich et l'Ecole centrale de Nantes qui a débouché sur la conception d'un absorbeur de chocs, avec des aluminiums aux allongements plus importants que les aluminiums classiques. Le système a été conçu pour les deux extrémités de la rame TGV Duplex.

Le surcoût de l'aluminium est faible

Restait à faire les comptes. Le matériau aluminium est deux à trois fois plus cher que l'acier. Mais cette différence est en général compensée par le travail d'assemblage. Avec une dizaine de profilés, un chaudron en aluminium comporte environ trois fois moins de pièces qu'un chaudron comparable en acier avec des montants et des tôles soudées. "Sur une voiture du type Corail, l'assemblage de l'acier demande mille huit cents heures. Avec un chaudron similaire, mais en aluminium, pesant 7,5tonnes au lieu de 10,5tonnes, le Pendolino italien demande deux fois moins de travail", assure Jürg Zehnder... Sur le TGV Duplex, en définitive, il apparaît que le surcoût dû à l'aluminium est faible: selon la SNCF, le chaudron prototype en aluminium revient à 3,5millions de francs (valeur 1990), contre 3millions pour le prototype en acier du TGV Réseau. A la demande expresse de la SNCF, le pilote du projet TGV Duplex, GEC Alsthom Transport (Aytré-La Rochelle), a donc recouru à de grands profilés en aluminium dans la structure du chaudron. Il a aussi utilisé des pièces moulées en aluminium pour les extrémités des voitures, au-dessus des bogies, ainsi que pour les ouvertures de portes soumises à de fortes contraintes. Alusuisse, spécialiste des profilés de grande largeur (800millimètres), a fabriqué les profilés de face. Les profilés des extrémités ont été réalisés par l'usine Pechiney d'Issoire, et les pièces moulées par la fonderie Pechiney d'Ussel. L'emploi du magnésium dans le ferroviaire est une première mondiale. Encore plus léger que l'aluminium (masse volumique de 1,74, contre 2,7 pour l'aluminium... et 7,86 pour le fer), il se substitue à ce dernier dans le moulage des coques de sièges, des accoudoirs et des tablettes du TGV Duplex en seconde classe. Avec le fabricant de sièges Compin (Brionne), la SNCF a vérifié que le magnésium se moulait selon les mêmes technologies et sur les mêmes presses que les pièces en aluminium. C'est ce qui fait son intérêt par rapport à un autre poids plume, le titane, qui, lui, s'usine de façon particulière. Malgré tout, le magnésium présente quelques inconvénients. Tout d'abord, il pose un problème d'oxydabilité, auquel on remédie par une protection supplémentaire avec une sous-couche primaire de peinture. A l'état de poussière, il présente aussi des risques... d'explosion. Les concepteurs de la SNCF s'en sont inquiétés. Ils ont vérifié que des tablettes pouvaient fondre sans danger à la flamme d'un chalumeau.

Rien n'a été laissé au hasard

La société Irausa Loire, à Saint-Etienne, s'est vu confier par GEC Alsthom Transport la fabrication des sièges en magnésium. Le gain de poids est spectaculaire: 14kilos, au lieu de 26kilos pour les sièges en aluminium. Cet allègement compense presque totalement le coût plus élevé du matériau. Et le nouveau siège n'est que de 10% environ plus cher qu'un siège traditionnel, dont le prix unitaire est de de 6000francs. Mais la chasse aux kilos ne s'est pas arrêtée à ce choix de matériaux. En forant les essieux de roulement, les concepteurs ont gagné une tonne par remorque, pour un surcoût insignifiant (quelques dizaines de milliers de francs). Dans l'équipement intérieur, ils ont obtenu des gains de poids notables avec des cloisons en nid-d'abeilles au lieu de contreplaqué (-200kilos), des isolants de câbles optimisés (-300kilos), de la mélamine au lieu de laine de roche, etc. "Dans la dernière ligne droite, pour tenir la limite de 17 tonnes à l'essieu, nous avons demandé aux projeteurs et aux fournisseurs de grignoter 5% sur tout sans rien laisser au hasard", explique Hervé Girard, responsable du TGV Duplex au bureau d'études d'Aytré. En définitive, une remorque complètement garnie pèse 34tonnes, dont 6,5tonnes pour le bogie et les deux essieux, 8tonnes pour le chaudron nu. Le garnissage, les appareillages et la climatisation représentent environ 11,5tonnes et les voyageurs sont évalués à 8tonnes. Au bilan, la limite de 17tonnes à l'essieu a été respectée avec un prix actualisé de 125,6millions de francs par rame (1995), au lieu de 90,6millions pour une rame classique. La facture est apparemment élevée, mais, grâce à son surcroît de capacité de 45%, le TGV Duplex offre un coût à la place moins élevé que ses aînés. Une rame du TGV Duplex comporte deux motrices de 27,1millions de francs chacune (23,7millions pour les motrices Réseau bicourant), six remorques d'un prix unitaire de 8,2 à 8,9millions de francs (4,7 à 4,9millions pour les remorques Réseau classique) et deux remorques d'extrémité à 10,5millions. La différence de prix entre les remorques Duplex et Réseau (3,5millions environ) vient surtout du dédoublement des habillages et des équipements: deux planchers au lieu d'un, signalétique renforcée, climatisation plus complexe... Mis à part le chaudron en aluminium, plus cher de 0,5million, l'allègement n'entraîne pas de surcoût significatif.

A l'étude, une solution composites

La SNCF prévoit une série de trente rames Duplex qui sortira des ateliers d'Aytré entre août 1996 et mars 1998... Au grand désespoir des industriels du secteur, aucun investissement n'est prévu ensuite par les Pouvoirs publics dans le programme TGV... Pour les concepteurs, l'aventure se poursuit néanmoins avec le TGV NG (nouvelle génération), destiné à rouler à 360 kilomètres à l'heure avec une charge à l'essieu inférieure à 16tonnes. Louis-Marie Cléon étudie avec la société ACX (Brest) une solution composites pour l'après-2000. Dès 1998, en collaboration avec GEC Alsthom Transport, et avec une subvention de 10millions de francs du ministère de l'Industrie, la SNCF espère faire rouler une remorque TGV Duplex avec une structure sandwich en matériaux de type aéronautique (résine époxydine, composite carbone-verre). André Larané



Le Chaudron

En dépit d'un étage supplémentaire, le chaudron Duplex pèse autant que celui d'un TGV Réseau (près de 8 tonnes). Bien que l'aluminium soit deux à trois fois plus cher que l'acier à poids égal, l'écart de prix final est faible. Un chaudron prototype en aluminium revenait en 1990 à 3,5millions de francs, contre 3millions pour un prototype du TGV Réseau.

Les Ouvertures et les Extrémités

Les suspensions et les portes sont en aluminium et non plus en acier mécanosoudé. Il a fallu concevoir des pièces moulées monoblocs et reporter les soudures en dehors des zones de fatigue. Les soudures se font manuellement, car elles sont plus délicates que sur l'acier. Le moulage a permis d'optimiser par calcul les épaisseurs des pièces. Moulées, celles-ci reviennent entre 200 et 600 francs le kilo, tandis que l'acier mécanosoudé coûte aux environs de 50 francs le kilo.

Les Sièges

Les sièges classiques en aluminium pesaient 26 kilos la place. Sur le TGV Duplex, en seconde classe, ils sont ramenés à 14 kilos avec le magnésium. Le gain est de l'ordre de 1 tonne par caisse grâce au magnésium. Par rapport aux sièges ordinaires, d'un prix moyen de 6000 francs, le surcoût est d'environ 10%.

L' Habillage intérieur

Au lieu d'une isolation en laine de roche, le TGV Duplex comporte de la mousse de mélamine, plus chère, mais très légère et à caractéristiques d'isolation équivalentes, plus agréable à travailler aussi. Keller, un spécialiste de l'acoustique, a transféré ce matériau de l'automobile vers le rail. Aux extrémités de chaque salle, on a renoncé aux cloisons en contreplaqué au profit d'un nid-d'abeilles en aluminium fourni par Brigantine Aircraft. La masse des cloisons a été divisée par deux avec un gain de l'ordre de 200 kilos. Des isolants minces limités au strict nécessaire sur les câbles électriques ont permis de gagner 300 kilos par remorque. A noter que, l'aluminium se déformant moins que l'acier laminé à chaud, la caisse du TGV Duplex n'a pas besoin d'enduit de lissage (300 kilos sur une voiture classique). En peignant directement sur l'aluminium, on économise ainsi des kilos supplémentaires.

Le Roulement

Les concepteurs ont gagné 1tonne en forant les essieux. L'essieu foré n'est pas une nouveauté, mais on ne s'était jamais encore soucié de l'employer, car il nécessite un usinage précis sans amorce de fissure et entraîne donc un léger surcoût. Sur les ensembles de roulement (bogie, essieux, disques et roues), la différence n'est cependant pas significative.

USINE NOUVELLE N°2515
 

 

Créez votre compte L’Usine Connect

Fermer
L'Usine Connect

Votre entreprise dispose d’un contrat
L’Usine Connect qui vous permet d’accéder librement à tous les contenus de L’Usine Nouvelle depuis ce poste et depuis l’extérieur.

Pour activer votre abonnement vous devez créer un compte

Créer votre Compte