Volkswagen met ses voitures au régime

Dans le cadre d’un partenariat, douze industriels et centres de recherche allemands planchent sur les matériaux hybrides de demain pour alléger les véhicules de série.

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Volkswagen met ses voitures au régime
Sur un métier à tisser, un textile à base de fibres de verre et de carbone défile à l'OHLF de Wolfsburg (Allemagne).

A toute allure, les fils défilent sur le métier à tisser de trente mètres de long, flambant neuf. Sur une passerelle, trois techniciens en blouse blanche s’affairent pour peaufiner les réglages. Nous ne sommes pourtant pas dans un atelier de confection, mais dans un laboratoire de tests de l’industrie automobile. Et les fils ne sont pas en coton, mais en fibres de verre et de carbone et viendront former une future carrosserie. C’est ici, à Wolfsburg dans le nord de l’Allemagne, que l’Open Hybrid LabFactory (OHLF), inaugurée en septembre 2016, planche sur les matériaux hybrides de demain. Avec Volkswagen à sa tête, le consortium est un partenariat public-privé qui réunit sous un même toit industriels, centres de recherche et universités. Autour du constructeur automobile, il compte notamment BASF (qui fournit le polyamide), DowAksa (pour les fibres de carbone), Thyssen Krupp (pour le métal) et des installateurs et équipementiers (Engel, IAV, Magna, Siempelkamp). Tous ont un objectif commun : alléger au maximum les futurs véhicules.

L’enjeu est énorme. Depuis les années 70, les automobiles n’ont cessé de prendre du poids, de l’ordre de 10 à 20 kg par an. La première Volkswagen Golf pesait ainsi entre 750 et 800 kg à sa sortie en 1974. Aujourd’hui, la dernière génération, la Golf VII, pèse jusqu’à 1 200 kg. Une tendance à l’embonpoint qui s’explique par l’amélioration de la sécurité et la multiplication des systèmes embarqués, comme le Stop-and-Start, ou les motorisations hybrides. Mais cet alourdissement a aussi des répercussions sur la consommation de carburant, et donc les émissions de CO2. Alors que les fabricants doivent passer d’ici à 2020 sous la barre des 95 grammes de CO2 au kilomètre, il devient urgent pour les marques allemandes de mettre leurs voitures au régime. On considère qu’une réduction de 100 kg permet d’émettre 6 à 8 grammes en moins au kilomètre. Ce n’est d’ailleurs pas un hasard si le gouvernement a mis 30 millions d’euros sur la table pour soutenir l’OHLF.

Devenir compétitif en mêlant les matériaux

Certes, les constructeurs premiums travaillent déjà depuis des années sur les recherches en allègement. La BMW i3, 100 % électrique, fait figure de précurseur. Ses concepteurs sont parvenus à maintenir son poids sous les 1 200 kg, grâce à l’utilisation de panneaux d’aluminium, de magnésium et de plastiques renforcés de fibres de carbone pour la carrosserie. "Mais notre ambition est de rendre l’utilisation de ces matériaux également abordable sur les voitures de grande série, indique Klaus Dilger, président du comité directeur de l’OHLF et chef du département qualité et méthodologie de tests. Or pour y parvenir, il va falloir baisser les coûts."

S’il est 60 % plus léger, l’aluminium est aussi quatre à cinq fois plus cher que l’acier, le matériau de référence dont le coût d’achat et de process tourne autour d'un euro par kilo. Bien que le prix des plastiques renforcés de carbone ait déjà beaucoup baissé, il reste toujours autour des 40 à 50 euros par kilo, si l’on prend en compte la matière première et sa transformation. Là où les constructeurs haut de gamme peuvent se permettre de répercuter ces surcoûts dans leurs prix de vente, cela reste plus difficile pour les gammes grand public, aux marges plus étroites. De plus, modifier les matériaux suppose de repenser les process et les techniques d’assemblage des pièces, ce qui a aussi un coût.

"Pour devenir compétitif, notre idée est donc de mêler ces matériaux pour créer des hybrides qui associent légèreté et production à grande échelle, afin de s’approcher du prix actuel de l’acier, précise Klaus Dilger. Pour cela, il ne faut plus seulement penser au niveau du véhicule dans son ensemble : le châssis en tel matériau, la carrosserie dans tel autre, mais faire des matériaux hybrides au niveau même des composants." Le président du comité directeur de l'OHLF cite l’exemple du montant central, pièce majeure qui relie le bas de caisse et la toiture entre les portières avant et arrière. "Jusqu’ici, il est fabriqué à partir de deux structures, une en acier et une en plastique, collées l’une à l’autre, explique-t-il. En revanche, en formant le montant à partir d'un profilé en composés renforcés de carbone dans une presse à injection hybride, il ne reste plus qu’une seule étape, ce qui permet d’économiser sur les coûts de process et de devenir plus compétitif."


Ce sont dans ces laboratoires que sont préparés les échantillons de composés. (Crédit - Gwénaëlle Deboutte)

Selon ce même principe, le premier projet de démonstration de l’OHLF concernait le dossier d’un siège. A la recherche d’un compromis, le laboratoire a développé un nouveau process de fabrication, dans lequel le métal, utilisé uniquement là où il est nécessaire, est baigné dans du plastique chaud avant que les deux matières ne soient agglomérées à l’aide d’une presse d’une force de 3 600 tonnes. Résultat, "la pièce est légère comme si elle était faite à partir de magnésium, mais au prix de l’acier", assure Klaus Dilger.

Pour parvenir à repenser chaque composant de cette manière, le travail commence toujours par des simulations sur ordinateur, avant d’étudier les interactions des mélanges, d’abord à l’échelle du millimètre, puis du centimètre avant de passer à la taille réelle. C’est pourquoi l’OHLF ressemble à une usine miniature avec une superficie de 2 500 m² et une hauteur sous plafond de 14 mètres pouvant accueillir un pont de manutention roulant et deux gigantesques presses à injection hybride de 2 500 tonnes et de 3 600 tonnes. A chaque étape, différents tests sont menés. Dans les chambres climatiques, on vérifie ainsi leur résistance au brouillard salin ou aux rayons du soleil. La liaison adhésive créée entre les matériaux doit aussi résister aux vibrations et contraintes subies par la voiture pendant au moins quinze ans. Enfin, un des grands défis concerne les différences de coefficient de dilatation entre les matériaux. Il faut notamment que les liaisons puissent supporter le passage à l’étape de cataphorèse qui peut monter jusqu’à 200 °C, avant de revenir à température ambiante.

Pour prioriser les étapes, les équipes ont choisi dans un premier temps de se concentrer sur la carrosserie, qui représente 40 % du poids d’un véhicule. "Nous espérons pouvoir arriver à une réduction de 40 % pour un prix maximal de 10 euros par kilo", annonce Klaus Dilger. Ensuite, cet allègement entraîne logiquement un redimensionnement à la baisse d’autres éléments, comme le châssis, la chaîne de transmission ou le moteur... Le début d’un cercle vertueux.

Gwénaëlle Deboutte

L’analyse du cycle de vie d’une voiture
La création de matériaux hybrides, collés entre eux, voire agglomérés, rend le recyclage difficile. Pour ne pas négliger cette question, l’OHLF a donc créé un département dédié à l’analyse de l’impact environnemental de ces nouveaux composites. Installés dans une grande salle de conférence couverte d’écrans, les scientifiques analysent la recyclabilité, mais aussi tout le cycle de vie des futurs véhicules. Pour cela, l’ensemble des paramètres sont pris en compte : quelle quantité d’énergie est nécessaire pour l’extraction et la fabrication de matières premières, en fonction du mix énergétique des pays, quels sont les avantages et les inconvénients en termes environnementaux, quels sont les gains obtenus du fait que le véhicule, plus léger, consomme moins… Rien n’est laissé au hasard avant de donner le feu vert aux équipes de fabrication.

 

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