Les chercheurs de Fraunhofer LBF ont conçu une cellule personnalisée pour tester la durabilité structurelle des composants légers nouvellement développés.

Composants légers, efficaces et abordables

Conception légère Composants légers, efficaces et abordables

| Éditeur:
Nicole Kareta

Le projet appelé ALLIANCE a de bonnes nouvelles pour les concepteurs: il s’avère qu’il est tout à fait possible de construire des composants jusqu’à 33% plus légers à un coût supplémentaire de moins de trois euros par kilogramme économisé.

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Les chercheurs de Fraunhofer LBF ont conçu une cellule personnalisée pour tester la durabilité structurelle des composants légers nouvellement développés.

(Source: Fraunhofer LBF, Raapke)

La technologie légère a longtemps été et restera certainement un pilier de l’ingénierie automobile et aérospatiale, de la construction navale et de nombreuses autres industries. Des matériaux et des composants plus légers pourraient également aider à réduire les émissions à l’origine du changement climatique. Mais les options plus légères sont plus coûteuses et le coût relativement élevé a entravé leur adoption. Cela est sur le point de changer grâce aux efforts d’ALLIANCE, un consortium de constructeurs automobiles, de fournisseurs et d’instituts de recherche, coordonné par Daimler et l’Institut Fraunhofer pour la durabilité structurelle et la fiabilité du système LBF à Darmstadt.

Si nous voulons lutter contre le changement climatique, nous devrons réduire les émissions nocives des voitures. Une façon de le faire est de construire des véhicules plus légers. Les constructeurs automobiles ont été lents à s’engager dans cette voie car les composants légers sont chers. Ils sont tout simplement trop chers pour les modèles économiques. Si les conceptions légères doivent devenir courantes et constituer la majorité des composants installés, les ingénieurs devront trouver un moyen de faire baisser les prix.

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Même si, contrairement aux processus d'impression, un moule est nécessaire pour le moulage sous pression, les coûts totaux sont généralement inférieurs à ceux des processus d'impression 3D ou d'usinage.

CO2 Les émissions réduites de 25%

C’est exactement ce que les nombreux partenaires engagés dans le projet de l’UE sur les véhicules légers légers AlliaNCE – ou ALLIANCE pour faire court – se sont engagés à faire. Ils ont sondé le potentiel d’économies et développé des technologies pour saisir les opportunités les plus prometteuses. Six grands constructeurs automobiles, six fournisseurs de composants et de matériaux et divers instituts de recherche ont participé à ce projet. «Ensemble, nous avons pu établir que conception légère et économique est faisable », explique le professeur Thilo Bein, responsable de la gestion des connaissances à Fraunhofer LBF. En tant que secrétaire désigné du projet, il a assuré la liaison entre les partenaires, suivi les résultats, organisé des réunions, etc. «Nous avons réussi à alléger les composants individuels de plus de 30%, réduisant ainsi leur part de CO2 émissions de 25% – avec des coûts par composant qui n’augmentent que de 2,67 € par kilogramme, en moyenne, ce qui est acceptable pour les constructeurs automobiles. » Les protagonistes de ce projet ont constaté que les coûts peuvent être encore plus bas si le CO2 et les bilans énergétiques sont pris en compte dès le départ.

Design First, Joining Last

Les scientifiques de Fraunhofer LBF ont fait plus que simplement aider à coordonner le projet. Ils ont également apporté leurs compétences en recherche à la conception des composants. Les ingénieurs doivent optimiser de bas en haut tous les nouveaux matériaux dans les pièces automobiles. Ils affinent le poids de ces composants, l’épaisseur de leurs parois et leurs fréquences naturelles, qui sont importantes pour la gestion du bruit, entre autres paramètres. Ils utilisent souvent la méthode des éléments finis à cette fin. Prenons, par exemple, un garde-boue. Son concepteur créerait d’abord un modèle virtuel, puis le diviserait en plusieurs petites unités pour calculer et optimiser le comportement physique de cette pièce.

Couverture du livre blanc: SLM

L’inconvénient de ces modèles est qu’ils sont terriblement complexes. «C’est pourquoi nous avons développé chez Fraunhofer LBF un modèle paramétré qui simplifie énormément cette procédure», explique Bein. Ces experts ont rationalisé le modèle, réduisant sa complexité tout en conservant des paramètres tels que le poids, la fréquence naturelle ou l’épaisseur de la paroi. Ce modèle plus simple sert à optimiser les paramètres, qui sont ensuite redirigés vers le modèle d’origine par éléments finis. « Ce optimisation multiparamétrique peut être utilisé à la fois au début de la phase conceptuelle et plus tard lors de la conception détaillée », explique Bein. En testant leur méthode sur un module de démonstration virtuel pour un composant frontal Opel, les chercheurs l’ont trouvée très utile: elle permet de concevoir des composants avec moins d’étapes itératives et offre un meilleur moyen d’atteindre les paramètres cibles.

Le magnésium est le matériau de construction métallique le plus léger. Cependant, ses alliages ont une petite part de marché. La recherche actuelle devrait changer cela.

Les méthodes d’adhésion étaient également à l’agenda du projet ALLIANCE. Il s’agissait de connecter des composants légers de manière sûre et ferme. L’effort de développement a identifié 14 différents processus d’assemblage appropriés. Les experts Fraunhofer ont apporté leurs connaissances spécifiques au moment de tester la durabilité structurelle. Chargés d’étudier les processus d’assemblage hybrides qui combinent rivets et liaisons adhésives, ils ont soumis des échantillons de type composant à diverses charges cycliques pour déterminer dans quelle mesure les joints résisteraient à l’usure. Les chercheurs de Fraunhofer LBF ont également testé un dessous de caisse Toyota en plastique pour la durabilité structurelle. Les résultats des deux tests étaient bons.

Ce projet a suivi son cours, mais le consortium a décidé de développer ses recherches. projet de suivi est en préparation. «Les résultats iront au développement de produits au cours des prochaines années», explique Bein.

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