ID de l’étude CAR sur la réduction du poids Matériaux Avantages et inconvénients

Le Center for Automotive Research du Michigan a étudié le potentiel de divers matériaux pour aider à réduire la masse des véhicules, produisant une liste des avantages et des inconvénients pour chacune des options.

Les chercheurs de CAR ont examiné les changements pour les voitures neuves américaines entre 2015 et 2020 et ont produit une prévision pour 2025 à 2035. Ils ont interrogé des ingénieurs de constructeurs automobiles pour connaître les problèmes auxquels ils sont confrontés et ont entendu parler de la difficulté de réduire le poids tout en passant aux groupes motopropulseurs électriques.

Les répondants ont indiqué qu’ils recherchaient des techniques de fabrication à haut volume abordables pour les matériaux légers et ont souligné la nécessité de pouvoir assembler des matériaux différents pour maximiser les économies de poids. Les outils de calcul prédictif et d’optimisation de la conception sont considérés comme des besoins cruciaux pour y parvenir.

Sans surprise, les chercheurs de CAR ont appris que les panneaux de fermeture tels que les portes, le capot et le coffre sont une priorité absolue car ce sont de grandes pièces boulonnées, pour la plupart plates. Le châssis principal de la carrosserie en blanc (BIW) est le deuxième plus important, en tant que pièce avec une masse importante. Ceux-ci ont été suivis par une masse non suspendue dans la suspension, les composants intérieurs et le groupe motopropulseur.

Avec ces éléments à l’esprit, CAR a identifié les avantages et les inconvénients de chacun des quatre principaux matériaux candidats pour réduire le poids des futurs véhicules.

Acier

L’acier est et restera le matériau le plus largement utilisé dans un avenir prévisible. Dans cette optique, l’industrie sidérurgique continue de développer de meilleures nuances d’acier, produites plus efficacement et à moindre coût.

Avantages

• Large gamme UTS : 200 Mpa à 2 000 Mpa au cours des 20 dernières années
• À bas prix
• Économies de poids raisonnables grâce à UHSS, Gen-3
• Familiarité
• Chaîne d’approvisionnement mondiale

Opportunités futures

• L’industrie sidérurgique se concentre sur l’amélioration de la formabilité tout en augmentant la résistance
• Tous les sidérurgistes modernisent activement leurs infrastructures pour réduire leur empreinte carbone. Exemple : Nucor, Big River et d’autres se tournent massivement vers les EAF (fours à arc électrique)
• Une augmentation significative de la densité d’énergie de la batterie et une réduction du coût de la batterie pourraient inciter les constructeurs automobiles à réévaluer leurs priorités en matière d’allègement pour déplacer les investissements vers d’autres technologies comme ADAS.
• Devrait représenter 50 à 55 % du BIW plus les fermetures.

Négatifs

• Les composites d’aluminium et de polymères fournissent 30 à 60 % de MR et investissent activement dans la réduction des coûts.
• L’ajout de masse dû à la technologie autonome peut forcer les constructeurs automobiles à alléger davantage en passant à d’autres matériaux.

Aluminium

L’aluminium est le principal challenger de l’acier, grâce à une réduction de masse de 35 à 40 % par rapport aux aciers de qualité inférieure. C’est un produit connu avec une chaîne d’approvisionnement mondiale bien établie. CAR prévoit que l’aluminium passera des 10-13 % actuels à 20-22 % du sous-système BIW et fermetures.

Avantages

• L’aluminium offre une réduction de masse de 35 à 40 % par rapport à l’acier doux.
• La teneur en aluminium est passée de 200/lbs. par véhicule en 2000 à plus de 400 lb/véhicules en 2020. Cette croissance est stimulée par l’utilisation de l’aluminium dans les capots et autres fermetures
• L’aluminium prétend être le matériau le plus recyclé au monde, 70 à 80 %
• Chaîne d’approvisionnement mondiale

Opportunités futures

• Les portes et autres composants boulonnés continueront d’être une opportunité pour l’aluminium.
• L’industrie travaille sur de nouveaux grades 6xxx et 7xxx (gen-2 et gen-3)
• La coulée continue a le potentiel de réduire le coût de conversion des produits en tôle d’aluminium.
• Peu de marques haut de gamme comme Audi, Jaguar préfèrent l’aluminium
• Devrait représenter 20 à 25 % des fermetures BIW+

Négatifs

• L’usine de fabrication est totalement perturbée par les alliages AL et l’utilisation d’adhésifs. Cela fait vraiment exploser le coût, donc les véhicules à plate-forme totalement nouvelle et à volume élevé sont les meilleures applications.
• Le passage du BIW à l’aluminium ne s’est pas accéléré après les camions Ford de la série F et le Tesla Model S. En fait, d’autres constructeurs automobiles ont choisi une stratégie AHSS pour les véhicules à volume élevé (par exemple, Chevy Silverado, Tesla Model 3).
• Une augmentation significative de la densité de la batterie et le transfert des investissements vers l’ADAS peuvent limiter les initiatives d’allègement.

Composites polymères

Les composites polymères peuvent être beaucoup plus légers que l’acier et l’aluminium tout en offrant la possibilité de simplifier la conception et le nombre de pièces. Ils pourraient devenir le matériau dominant pour les véhicules haut de gamme axés sur les performances, mais le coût restera un défi pour la production à grand volume.

Avantages

• Les composites polymères tels que CFRP, GFRP, SMC offrent un potentiel d’allègement de 60 à 70 %
• La consolidation des pièces et le faible coût de l’outillage réduisent le coût global.

Opportunités futures

• Opportunités dans le hayon, l’intérieur de la porte, l’aile, le panneau de toit, la cloison avant, le renfort de plancher, le renfort de pilier A/B, la caisse de camion, les sièges
• Devrait être de 8 à 12% du BIW plus les fermetures.

Négatifs

• En termes de $/lb, les composites polymères resteront chers par rapport aux métaux.
• Principaux obstacles
• Coût élevé des matières premières
• Outillage différent des métaux
• Atelier de peinture pour applications BIW
• Joindre
• Conception

Magnésium

Le magnésium promet des économies de poids similaires à celles des composites polymères, mais il souffre de problèmes de corrosion galvanique lorsqu’il est utilisé avec d’autres matériaux. Il existe également des problèmes de chaîne d’approvisionnement, de formation et de fragilité.

Avantages

• Le magnésium offre une réduction de masse de 60 à 70 % par rapport à l’acier doux.

Opportunités futures

• Opportunités limitées dans les composants avant des véhicules et les pièces moulées du groupe motopropulseur
• Devrait représenter 3 à 6% du BIW plus les fermetures

Négatifs

• L’utilisation du magnésium reste faible (1 %) et se limite aux parties internes du corps. Exemples : intérieur du hayon, poutre IP, sièges
• Principaux obstacles :
• Coût élevé et chaîne d’approvisionnement limitée
• Faible formabilité
• Problèmes de corrosion
• Joindre