De la difficulté d’introduire des polymères et composites...

De la difficulté d’introduire des polymères et composites dans

l’industrie automobile

Gérard MaederPrésident de l’Association Française de Mécanique

Ancien Directeur de l’Ingéniérie des Matériaux de Renault

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

2019

61

1968

1969

1972

1975

1976

1978

1982

1984

1985

1988

1990

1992

1993

1994

1995

1998

2000

2001

Wei

ght o

f pol

ymer

mat

eria

ls /

car

(%)

R4 R

6

R5

R12

R30 R14

Sup

er 5

R9

R18

R25

R19

Clio S

afra

ne

Tw

ingo

Lagu

na

Még

ane

Clio

II Lagu

na II

Vel

Sat

is

Weight evolution of plastics in Renault cars

• Un véhicule se décompose en 7 grandes catégories de matériaux. Il est constitué en moyenne de :

• Part métallique / part plastiques

Les matériaux utilisés dans l’automobile

74%

5%3% 3%

12%

1%2%Métaux

Polymères

Elastomères

Verres

Fluides

Matériaux naturels

autres

9%

6%

56%

26%

1%1%

1%

Acier

Aluminium

Fonte

Cuivre

Plomb

autres métaux

autres matèriaux

PE9%

PES6%

ABS5%

PA6%

PUR-E11%

Autres17%

PP46%

Plan

1 - Automotive context

2 – Automotive project

3 – Hurdles associated with polymers andcomposites

4 – Examples of parts

Customers' requirements regarding materials

NOTHING

What they expect :

- lifetime cost (purchase, servicing, insurance)

- comfort and spaciousness

- reliability and durability

- safety

Perceived quality

Gaps and flush - fitting

Sensory analysis

Colour

TouchOdour

Engineers' requirements regarding materials

NOTHING

What they expect :

a part or a function to operate in a way that complies with specification requirements in terms of technical or financial nature

Suppliers' expectations

EXTREMELY HIGH

World market of about 60 million vehicles, that is to say a least 60 million tons of materials

Competitive situation among materials

Technical/financial and marketing pressure

"hyperchoice"

Weight breakdown by vehicle function

32 kg, 3 %

Powertrain

Ground link

Other chassis systems

Wiring, Battery

Painted Bodywork

Internal and external equipments

168 kg, 16 %

149 kg, 15 %

104 kg,10 %

341 kg, 33 %

231 kg, 23 %

Overall automotive SMC panel set comparison

Evolution of the automotive products

Change of specifications

Market competition

Customer expectations Regulations

Weight reduction

Durability Safety Acoustics

Perceived quality

…….

MARKET COMPETITION

Reliability / Durability

� Number of models Reduced penetrationfor each

� Increase time ofguarantee

� Cost of vehicles First criteria of choicefor the customer

REGULATIONS

� EnvironmentExhaust gaspollution

Reduction of CO2 to 140 g.km -1

(in 2008, instead of 186 g. in 1995)

End of lifevehicles (ELV) Restriction / Banning of some

materials (Pb, Hg, Cd, Cr6+) +

Recovery of all ELV’s(85% im 2006, 95% in 2015)

� Safety Greater absorption of energy

Reduction of pollutants (HC, CO, NOx, particulates)

Modus - DashboardUse of recycled polymer (PP)

16

�Vehicle safety

– No damage at low speed crash (4km/h)

– New regulation concerning pedestrian impactLow pedestrian damage during crash

– Low repairing costs

SAFETY

Removable crash area

Eabs

Fmax

D(mm)

Fave.

Total disp.

Energy absorption curve of a SMC/BMC Material

F(kN)

Plan





Convergenceprojet

Point de non retour sur l’absencede modifications outillage

Principe de convergence par l’étude unique

Développement Industrialisation

ACConvergencephysique

MAP

Convergencenumérique

CATIA V5

prototypes

Numdéfinition certifiée

ROP

DMDR 2DMDR 3

DMDR 4DMDR 5

RDV 0RDV 1

RDV 2RDV 3

RDV 4RDV 5

RDV 6

Illustration Physico-num

2

Maquette numérique

Maquette Technique

Validation numérique / physiqueCrash Sécurité

Centre d’essais

Lardy

choc ECE94 genoux

choc USNCAP56 km/h

choc Danner

Calcul d’endurance barre de toit X84

Calculs d’ensoleillementplanche et panneau de porte

Applications : X85 / X44 / X91fissuration du pied de barre

Validation numérique / physiqueFiabilité Durabilité

Centre d’essais

Aubevoye

Bruit de roulementNASTRAN / AKUSMOD

Systèmes de retenuePAM-SAFE, MADYMO

Trains AV/AR-BerceauNASTRAN

SuspensionADAMS, MADA

Filtrationligne échappement

ADAMS, NASTRAN, GATEWAY,

ABAQUS

Comportement routier - FreinageMADA

Déformation d’ouvrantsNASTRAN, I-DEAS

Mécanismes ouvrantsRADIOSS, I-DEAS

Sièges et systèmes associés

NASTRAN, RADIOSS

Essuyage - DégivrageFLUENT

Superstructure / vibration CaisseNASTRAN, RADIOSS, PAMCRASH, FALANCS

Thermique habitacleAMESIM, FLUENT, INKA

Thermique / aéro sous capotI-DEAS TMG, FLUENT

Thermique moteurI-DEAS TMG, FLOW 3D

Perfo-ConsoSTAR-CD, AMESIM, WAVE

Aéroacoustique / Aéro externePOWERFLOW,FLUENT, SYSNOISE

Principaux outils de calcul associés

Compatibilité ElectromagnétiqueRadio-FréquencePAMCEM 3D-RF

Poste de conduite –Planche de bord

NASTRAN, I-DEAS, RADIOSS

VIRTUAL DESIGN

Evolution factors

Reduction of development time Reduction of the number of prototypes

Virtual design

Dimensioning to the closest value bySimulation and Modelling

Good knowledge of materials characteristics

Measurement uncertainty Variability of production facilities

Developmentof materials

Shaping/Fabricationof the parts

Assembly ofthe vehicle

Recycling

1

2

3

4

5

Specificationof materials

Specific industriesSteel

AluminiumChemicals

Traditionallyintegrated activities

of the car maker

Core activitiesof the car maker

Companies specializingin recovery anddevelopment of materials

THE INDUSTRIAL CHAIN

MATERIALS - AUTOMOTIVE INDUSTRY (A)

Future trendsof the products

DIVERSITYof the

materials/processing technology

COMPLEXITYof the

specifications and assemblies

DIFFICULTY OF THE INTEGRATIONof all processing technologies

Necessery promotion ofMATERIALS PROCESSERS

of a sufficient size

THE INDUSTRIAL CHAIN

MATERIALS - AUTOMOTIVE INDUSTRY (B)

Supplier relationship

The «extended» company

Manufacturer

Supplier

Functional Requirements

Validation

Design/Calculation

Production

SpecificationsMaterials, Treatments

Manufacturing processesSequence of operations

Evolution factors : internationalization

Adaptation of materials and transformations process es to the local conditions

MalaisieColombie

Brésil

Chili

Argentine

Roumanie

Maroc

Turquie

Russie

ChineIran

Corée du SudEtats-Unis

Mexique Egypte

Kenya

Zimbabwe

Afrique du Sud

Thaïlande

Philippines

Indonésie

Japon

TaiwanPakistan

Royaume-Uni

Portugal Espagne

France

Slovénie

Plan



3 – Hurdles associated withpolymers and composites


Reduction of fuel consumption by weight saving ...but also by

• friction reduction• improvement of aerodynamics• reduction of electrical consumption• progress in ENGINE EFFICIENCY• ...

Cost per LITER OF FUEL saved,not per kilogram saved

Technical constraints

material - related constraintsdurabilityconstitutive equationsrepairabilityrecycling

process-related constraintsmodelling and simulationjoiningcycle timeinfluence on the geometry

development of new materials that are moreresistant to variations in process parameters

Economical constraintsShort term argument : Example

Lightening 50 kg 150 Euros/vh (overcost 3 Euros/kg)

Consequences

for the designer : - 5 % in weight

for the customer : - 3 % in fuel consumption(+ 20 to 30 km in autonomy)

for the manufacturer : + 300 millions Euros (generalization

for an annual production of 2 millions vehicles)

- need for a bigger weight saving

- need for a lower overcost, or an overcost taking into

account the whole lifetime of the car

Technical constraintsTechnical constraints

Error on the warpage between reality and simulation

+2,45 mm

-1,5 mm

Contact Interference

Polymer injection : Part deformation MODUS HUB CAP

TechnicalTechnical constraintsconstraints

Flow leader

No flow- leader

Simulation realized in 2D , 2D1/2 et 3D

Polymer injection : "Flow leaders" prediction


Shrinkage marksShrinkage

Deformation

Polymer injection : Shrink - marks prediction


Tiger stripes :

Instable Injection

From research of DPI et DSM.

1. Flow front - 2. Mold cavity

1

2

2

Injection “Flow” linesNot c

hecked by digital sim

ulation

Appearance defects

Importance of digital simulationImportance of digital simulation

Very difficult to take into accountOrientation of glass fibers

Calculated from constitutive equations determined with numerous approximations

Shrinkage

Measurement over a too small erroneous extrapolation

Viscosity

Measurement at 1°C min -1 instead of 200°C min -1 in real conditions

Glass Transition temperature

Calculation time multiplied by 10Material crystallization

Experimental determination very difficultElongational viscosity

Polymer injectionSource of problems

Simuler les contraintes extérieures pour reproduire les évolutions d’aspect

VieillissementArtificiel

VieillissementNaturel Accéléré

VieillissementRéel

55--6 ans en r6 ans en réégion gion

parisienneparisienne(4200 MJ/m2/an)

Floride (6000 MJ/m2)Arizona (8000 MJ/m2)

Rotterdam (atm. Polluée)

2 ans Bandol 2 ans Bandol (5600 (5600 MJ/m2 et 6500 MJ/m2 à 45°)

Arc carboneTube fluorescent

Arc XArc Xéénonnon(0,55 W/m(0,55 W/m2 àà 340 nm)340 nm)

Energie solaire : 1250 h Arc Xénon ≈ 1 an Bandol

Essais accélérés de vieillissement

UV STABILIZERS CONTENT IN SAMPLE THICKNESS

Thickness (µm)Linagecl sample 2 years natural ageing (Bandol) Accelerated ageing : WOM 2250h.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

DO

(17

38 /

1167

cm

-1)

Copolymer P/E

Plan





Composite material parts(Renault cars)

Where and how composite materials have been used since 30 years ?

R15, bumperR5, bumpers & trims

R14, bumpers

Fuego, bumper R25, bumpers & trims

� SMC bumpers evolution


Espace 2

Avantime

Espace 3 (except bonnet)

Alpine A610

� SMC body panels painted at low temperature

43

1983 - SMC body panelsPainted at low temperature

Espace

2000 - SMC tail gatePainted off line

2001 - SMC fendersPainted on line

VelSatis

1972 - Bumpers & trimunpainted part

R5

� SMC/BMC components evolution


Laguna 2


Trafic rear spring leaf :- Weight saving : from 15 to 20 kg,- Same cost / double steel spring leafs- pre-preg epoxy glass LF (50/50 vol).

New transversal front suspension :- epoxy – glass fabric,- “High speed” RTM.

MOSAIC Project 1994

Aluminum space frameExtrusion and cast nodeComposites Integrated panelsRiveting + Adhesive bonding

Weight saving 20%Overcost 20-40%

Where and how composite materials have been

used since 30 years ?

46

�Today’s distribution of composite materials in a ca r

• Interior accessories 50%

• External accessories 20%

• Under hood applications 15%

• External body panels 10 - 15%

• Structural applications 0 - 5%

Main functions where polymers are used today

47

�Composite materials for interior applications

Dash board structureTP + fillers or GF

Clutch pedalPA +GF

Roof panelPP + Nat. Fib. or GF

Door panelTP + Wood

48

SMC fendersMedium production volume cars

ThermoPlastic fendersHigh production volume cars

�Composite materials for exterior applications : SMC and TP fenders

�Thermoplastic fenders across the range

50

�Composite materials for exterior applications : SMC / BMC tailgates

Megane cc

�Composite materials for exterior applications : Scénic RX4 hybrid tailgate

• Skin panel : painted Polypropylene(same as bumper)

• Inner panel : GF reinforced PP –grained and bulk colored

• Additional element : PP – grained andbulk colored (same as interior panels).

�Composite materials for exterior applications : Modus split tailgate

53

�Composite materials for under the hood parts

Air filterPA+GF

Under engine protectionPP + GF

Intake manifoldPA + GF

Cost reduction : 30%Weight reduction : 30%

54

�Composite materials for structural parts

Technical front end (Mégane 2)PA+GF

+ Steel structure

Rear floor pan (Mégane 2)Low density SMC

BC84BC84BC84BC84Rear overhang : 742mm

J84J84J84J84Rear overhang : 723mm

R84R84R84R84Rear overhang : 906mm

Steel reinforcedB84 LPGB84 LPGB84 LPGB84 LPG

ELK84ELK84ELK84ELK84Rear overhang : 970 to 991mm

�Rear floor pan modularity (Mégane 2)

56

�New composite materials : Some examples

– Composite materials reinforced with nano fillersIntroduction of mineral nano fillers or carbon nano tubes in TP matrix

Semi structural applications (body panels, under the hood parts)

– Composite materials reinforced with natural fibersIntroduction of natural fibres (Hemp, flax ...) in TP and thermoset matrix

Semi structural applications (Interior applications)

– Composite materials reinforced with carbon fibersIntroduction of short carbon fibres, or carbon fibre fabrics

Structural parts (floor pans, cross beams, Body In White parts …)Semi structural parts (openings)

Current developments going on

57

�New composite manufacturing technologies : Development of a «High Speed» RTM process

– High fibre ratio (up to 50%)

– Use of carbon fibre reinforcements

– Complex shape : part with hollow cores

– Improvement of injection step

– Improvement of resin curing

– Production time < 10 min

Current developments going on

Part developed in the TECABS project

58

� Tailgate with carbon fibre reinforced materials

� Structural rear floor pan

Weight saving (%)

Steel version Ref

SMC reinforced GF version 15%

SMC reinforced CF version 25%

Weight saving (%) Cost

Steel version Ref 1

Metal / composite version 15% 1

Composite reinforced GF version 38% 1.2

Composite reinforced CF version 47% 2.2

Current developments going on� New composite design developments :

Thermoplastic fenders(Renault cars)

CONTRAINTES DE CONCEPTION

FAISABILITE PIECE - MOULE

FAISABILITE PIECE/MOULE

CONTRAINTES PROCESS

Cataphorèse

185 °C

Apprêt

155°C

Base

150°C

Vernis

140°C

Dégraissage

T ambiant

Apprêt

80°C

Base

80°C

Vernis

80°C

• PROCESS ON LINE (ASSEMBLAGE PIECE AU FERRAGE)

• PROCESS IN LINE (ASSEMBLAGE PIECE AU MONTAGE)

• Tg De LA MATIERE A RETENIR

• CHAINE PEINTURE PLATIQUE (oui/non)

ETUDE DE CAS SIMULATION X44

DEPLACEMENT MAXI

SIMULATION PROCESS CATA / peinture (pointe MB)

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

1 1801 3601 5401 7201 9001 10801 12601 14401 16201 18001 19801 21601

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

capteur Z

capteur X

capteur Y

T° pièce

Simulation cata + mastic

Simulation peinture ensoleillement

Déformation de l'agrafe sapin

ANALYSE DE LA DILATATION DE L’AILE

• Cote de longueur de l’aile à la NUM � 1000 mm1021,5moule

Pièce injectée 1003-1006Cata : 185°C 1019,5

Retour à l’ambiante : 20°CPeinture : 160°C 1016

Retour à l’ambiante : 20°CMastic : 140°C 1014

Retour à l’ambiante : 20°C

LA TRANSFORMATION

NORYL MOULE

PRESSE

T°

V

P

t

T°

PIECE

GEOMETRIE ASPECTPEINTURE

CHOC

MONTAGE

résultatvariable

ETUDES

• Études vis• Études nervures• Étude de capitalisation• Études thermique X74• Études injection séquentielle• Études gain de temps de cycle J84 ~ 38s• Études retrait - post retrait• Études stabilité process• Études SPC• Étude plan d’expérience• ….

STABILISATION DU REGIME THERMIQUE

RESPECT DU CDC

• GEOMETRIE• PEINTURE• CHOC• MONTAGE APRES VENTE• CHOC PIETON

LES PARAMETRES

Réglage de la température

Réglage de la force de fermetureRéglage des

vitesses d'injectionRéglage du point de commutation

Réglage du maintien

Optimisation du temps de cycle

Définition du plan de surveillance

Dossier de transfert de production

ENCHAINEMENT DES ACTIONS DE MAP PARAMETRES PROCESS

Réglage de la température du

fourreau en fonction du matériau.

Contrôle des purges

Réglage de la température du canal chaud en

fonction du matériau et

toujours inférieur au fourreau pour

éviter l'écoulement matière.

Contrôle des purges

Réglage des vitesses d'injection pour d'obtenir une vitesse constante

du front matière afin de limiter

l'orientation des chaines

macromoléculaires et par conséquent

de générer des contraintes internes

Profil de vitesses de type Gaussien

Temps d'injection adaptée à la pièce

Course

Vite

sse

Réglage du point de commutation pour transition entre la phase

d'injection dynamique et la

phase de maintienBut: déterminer le volume de matière nécessaire pour remplir 98% de

l'empreinte lors de la phase

dynamique

Temps de maintien: durée de

la phase de maintien jusqu'au

gel des seuils d'injection

Profil de pressions de maintien:

Compensation du retrait volumique du matériau en nourrissant la

pièce par la veine fluide interne

980

1000

1020

1040

1060

1080

1100

1120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Temps (en s)

Mas

se (

en g

)

980

1000

1020

1040

1060

1080

1100

1120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Temps (en s)

Mas

se (

en g

)

Réglage de la force de fermeture

minimun en fonction de

l'évolution de la masse pièce

1000

1005

1010

1015

1020

1025

1030

1035

1040

1045

1050

11001200130014001500160017001800

Force de fe rmeture (T )

1000

1005

1010

1015

1020

1025

1030

1035

1040

1045

1050

11001200130014001500160017001800

Force de fe rmeture (T )

Acquisition de données

Le profil d'injection et la

rampe de maintien conditionnement la géométrie de

l'aile. Le profil est optimisé en

fonction de la géométrie et de

l'analyse des courbes

d'acquisition de données

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 25 30 35 40

pres

sion

en

bars

P. canal carotte MAX = 802 bars

Optimisation du programme robot:

Temps moule ouvert

Optimisation des temps

mécaniques: Vitesses et

cinématique de fermeture de

l'outillage

Optimisation des temps

mécaniques: Vitesses et

cinématique d'ouverture de

l'outillage

Optimisation des temps de maintien

et de refroidissement

Suivi des masses pour 100% des

pièces puis déduction d'une

masse moyenne et des tolérances

Rédaction et diffusion du dossier de transfert de

production une fois les

paramètres figés

PROJET: X74 ph1DESIGNATION: AILE BK74 ph1 Droite - PRESSE P1

REFERENCE:

DIMat - UET AET Date: Dossier indice: A

DOSSIER DE TRANSFERTDE PRODUCTION

20/01/2006

8200295804

Réglage de la température de

l'outillage

LE DOSSIER DE TRANSFERT DE PRODUCTION

REACTIVITE SUR PARAMETRES SERIE

La MASSE pièce est hors tolérances

Dossier de transfert de production

PROJET: X74 ph1DESIGNATION: AILE BK74 ph1 Droite - PRESSE P1

REFERENCE:

DIMat - UET AET Date: Dossier indice: A

DOSSIER DE TRANSFERTDE PRODUCTION

20/01/2006

8200295804

Fiche de modification de

paramètres

Modification de la course de dosage

La pièce est légèrement incomplète

La pièce présente des bavures

* Variation de la viscosité selon les lots

matière

* Variation du taux d'humidité du matériau

Modification des vitesses d'injection

Conclusion • Digital Simulation of the

injection Process

- In Mould Behaviour

- Shrinkage

- Residual Stresses- Deformed Shape

- Surface aspect

80%

70%70%

0%

25%

50%

75%

100%Confidence

MaturitySimplicity

20%

50%70%

0%

25%

50%

75%

100%Confidence

MaturitySimplicity

10%

50%50%

0%

25%

50%

75%

100%Confidence

MaturitySimplicity

Conclusion• Digital simulation of

parts behaviour

– Thermal Expansion– Static Mechanic

– Vibratory behaviour

– Crash

– Creep and Relaxation

– Hyper elasticity

– Fracture Mechanic

– Fatigue

90%

90%90%

0%

25%

50%

75%

100%Confidence

MaturitySimplicity

70%

70%50%

0%

25%

50%

75%

100%Confidence

MaturitySimplicity

20%

20%20%

0%

25%

50%

75%

100%Confidence

MaturitySimplicity

De la difficulté d’introduire des polymères et composites...

Documents

Transcript of De la difficulté d’introduire des polymères et composites...