L'Industrie automobile : Les matériaux légers remplacent l'acier

Une bataille colossale est en menée par les constructeurs automobiles dont l’armature principale est le Génie des Matériaux. Diminuer le poids des véhicules pour diminuer la consommation de carburant est donc devenu un objectif majeur des constructeurs. Réduire la consommation de carburant et par la suite « réduire le cout pour mieux vendre » s'impose par tout moyen : rendement moteurs, aérodynamisme, frottements (nanocharges pour réduire la friction des pneumatiques), et surtout des allégements matière.

Je vous propose le présent article sur la variété des matériaux constituant la structure d’une voiture et les critères de choix de ces matériaux, devenu de plus en plus sévères dans un univers industrielle de plus en plus difficile.

Je vous souhaite une très bonne lecture et pensez à insérer votre commentaire au-bas de l’article. 

  

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<<  Allégements matière => Réduction de la consommation de carburant >>

On considère que 75% de la consommation de carburant d’un véhicule est directement liée à son poids. Un allégement de 100 kg s'accompagne d'un gain de consommation moyen de 0,4 litre/100 km (en fait 0,2 à 0,7 litre/100 km selon le véhicule et la conduite en ville ou route), c'est à dire une moyenne de 5 g de CO2/km.

Aujourd’hui, les voitures comprennent encore 66% d’acier (ds 7, en poids, mais les alliages de métaux plus légers, comme l’aluminium et le magnésium, se développent rapidement. L’aluminium est certes trois fois plus léger que l’acier (ds : 2,7), mais de faible résistance, et non utilisable pour de nombreuses pièces de structure. Le magnésium est à la fois résistant et très léger (sa densité de 1,7, soit 22% celle de l’acier et 60% de celle l’aluminium ; mais à résistance égale, le magnésium est 25% plus léger que l’aluminium et 50% plus léger que la fonte), mais avec plusieurs inconvénients comme son vieillissement qui altère ses capacités mécaniques, son image d’inflammabilité, et surtout son prix encore un peu trop élevé. Le magnésium progresse cependant et trouve sa place dans des niches spécifiques. Le titane, enfin, est très léger et très résistant à la corrosion, avec d'excellentes propriétés mécaniques, mais il est encore beaucoup trop cher  pour la filière automobile.

Mais la mode des SUV (Sport Utility Vehicule) tempère les économies réalisées par ailleurs. Il peut paraître paradoxal que, d'un coté, les constructeurs cherchent à alléger les voitures, mais que de l'autre, les consommateurs soient friands de 4x4, conduisant in fine à une « dérive pondérale ». Les ventes de SUV aux Etat Unis, qui ont maintenant dépassé celle des automobiles, ont cependant fortement chuté en raison des récentes hausses des prix de l’essence. En Europe, où les ventes de 4x4 ont également beaucoup progressé, ce sont les nouvelles restrictions règlementaires sur les émissions de CO² applicables prochainement qui devraient à l’avenir freiner leurs ventes.

En Europe, de 1998 à 2004, le poids moyen des véhicules a augmenté de 1178 à 1292 kg (+9,67%),  et la puissance des moteurs de 69 à 81 KW (+17,4%). La dernière version de la Scénic de Renault pèse maintenant 1,4 t. De très nombreux équipements n’existaient pas voici 15 ans : airbag : 1,5 à 3,5 kg, compresseur de la climatisation : 7 kg, moteur lève vitre : 0,8 kg, ABS: 1,6 kg, moteur électrique de siège : 1,6 kg, et toute la mécatronique / électronique.

<< Le prix de l'allègement de matière>>

Les allègements deviennent donc rapidement de plus en plus difficiles et les gains de poids se font kg par kg avec des coûts de R&D de plus en plus élevés. Dans cette quête des matériaux plus légers, le prix des alliages reste l’arme absolue. Le « prix du poids » varie fortement selon le type d’industrie considérée ; il est de l’ordre de 10 € par kg pour  l’industrie automobile, de 100 à 1000 € pour l’industrie aéronautique (où une réduction de densité du matériau de 10% permet de réduire le poids du composant de 10%), mais de 10 000 € pour le spatial.

Toutefois, même si la feuille d’aluminium est plus chère que la feuille d’acier, le plus important reste le coût global qui inclut également les coûts d’usinage des pièces, d’assemblage, de recyclage, etc.
Pour fixer les enjeux, les matériaux métalliques correspondent à 57% du budget achat du groupe PSA, dont aciers 42% et non-ferreux 15% (dont 9% pour Al). En 2005, la renégociation des contrats d’approvisionnement acier arrivant à échéance, a conduit au renchérissement du prix des matières premières et a contraint PSA, selon son pdg G. Foltz, à rogner sa marge opérationnelle qui est passée de 4,5% à 4,1%. Le « surcoût » imputable à cette facture « sidérurgique » est évalué entre 250 et 300 M€ pour 2005. L'envolée du prix de l'acier représente 80 à 90% de cette hausse. La crise était attendue depuis 2004, mais refusée par l’industrie automobile.  Les aciéristes tels qu’Arcelor ne pouvaient en effet que répercuter la très forte hausse du prix du minerai de fer de plus de 70% imposée par leurs propres fournisseurs. De plus, l’automobile utilise les métaux sous forme alliée (aciers incorporant des métaux d'alliage comme Ni, Cr, V, Mo, etc.,  les cours ont également flambé).

Pour les industriels, la matière première, ce ne sont pas les métaux, mais les alliages avec des compositions de plus en plus complexes pour des propriétés données et des utilisations spécifiques ; ce qui a un impact sur les prix : on passe en effet de 3€/kg pour le métal Mg à 23€/kg pour un alliage Mg-Y-Nd. D’ailleurs, les constructeurs perçoivent surtout la matière première comme une source de problèmes (prix/approvisionnement). De plus, il existe des problèmes d'approvisionnement qui sont liés à la fois à la concentration des fournisseurs ou de pays monopolistiques (Chine et le magnésium).

Les allégements sont obtenus :
• par substitution et utilisation de matériaux plus légers que l’acier : Al, Mg, plastiques, composites, etc.,
• par des alliages de plus en plus performants : foisonnement de nuances d’aciers auxpropriétés de plus en plus spécifiques permettant de réduire la quantité de métal (Si les nouveaux matériaux ont des propriétés mécaniques améliorées, en revanche, leurs coefficients de sécurité ont des marges de plus en plus étroites (un acier, une utilisation)
• par de nouveaux procédés de fabrication : hydroformage, thixomoulage, moulage sous vide, soudo collage, laser, structures en nids d’abeille, etc.



L'objectif est le « downsizing » (ou allégements en cascade) : un allégement sur une pièce ou un module entraîne à son tour un allégement possible des pièces associées : un allègement de la carrosserie/ induit par exemple une diminution de la suspension et des freins.

Les substitutions sont complexes à réaliser, car les propriétés des métaux acier-Al-Mg sont bien différentes, elles impliquent le plus souvent une reconception complète de la pièce. Ainsi l'alu a des problèmes de formabilité (rétraction avec retour d'élasticité trois fois > à l'acier). Remplacer un capot de voiture en acier par de l'alu a nécessité trois années d'études à PSA  pour un gain de masse de 6 kg ! De ce fait, il peut y avoir un laps de temps important si on décompte les durées d'innovation-validation (5 ans) d'une part et de conception véhicule-construction (5 ans) d'autre part.

a)       L'acier
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Si une substitution massive de l’acier par l’aluminium semble irréversible à long terme ; à court-moyen termes, les producteurs d’acier n’ont pas dit leur dernier mot. Les nouveaux aciers plus résistants et les structures tubulaires permettent d’abaisser le poids des véhicules tout en conservant les mêmes propriétés mécaniques.

L'utilisation croissante de matériaux de substitution a contraint les aciéristes à réagir en proposant de nouvelles gammes d'aciers de grandes qualités permettant des réductions de masses importantes, mais qui entraînent un foisonnement de nuances d'aciers de composition de plus en plus complexe (aciers microalliés incorporant de très faibles % d'éléments comme le niobium ou le bore) repoussant plus loin les limites d'élasticité (1000 voire 1400 mégapascal ou  MPa alors que la limite d’élasticité d’une tôle courante est de l’ordre de 200 MPa) : AHSS (Advanced High Strentgh Steel, ou dual Phase : 45% des aciers), UHSS (Ultra High Strength Steel ou martensitique : 12%). Au total AHSS et UHSS pourraient représenter 57% des aciers de la structure d’un véhicule de prochaine génération de GM, permettant ainsi un gain massique significatif et limiter l’avantage massique de l’aluminium.



Pour lutter contre ces substitutions qui les menacent, les  producteurs d’acier réagissent. Face au projet “tout aluminium” (AIV : aluminium intensive véhicle), ils ont répliqué par le projet “tout acier” achevé dès 1999 (ULSAB : ultralight steel auto body). Des projets spécifiques ont suivi, comme en 2000 le projet ULSAS (axé sur les suspensions). Une guerre technologique est donc en cours ; le résultat parait encore incertain, le moteur de la baisse des prix de fabrication se trouvant dans les laboratoires de R&D. En résumé, la substitution de l’acier par des métaux ou alliages plus légers n’est pas la seule voie pour diminuer le poids des véhicules ; et l’allègement des voitures n’est peut être pas le seul chemin pour réduire la pollution…

Aux Etats-Unis, la consommation d’acier a même augmenté de 75 000 t (estimation 1999) en raison de la tendance aux 4x4 (« light truck »). Les aciéristes espèrent bientôt pouvoir fabriquerdes tôles d’acier directement à partir des coulées de métal, permettant l’économie du laminage à froid jusqu’ici incontournable. La coulée de l’acier liquide à 1500°C entre deux cylindres pour produiredirectement des bandes minces va entrer en production industrielle (jusqu’ici l’opération se déroulait en deux temps : coulée continue de l’acier liquide puis laminage à chaud) dans le cadre du groupement Eurostrip (Usinor, Thyssen, VAI). L’objectif est de fabriquer des tôles d’acier plus fines de 1 mm au lieu de 3 mm). ‘’ThyssenKrupp’’ fabrique même, pour la nouvelle golf, des tôles dont les propriétés et l’épaisseur varient sur la même plaque (« tailored steel blanks »).

La fonte graphitée vermiculaire (CGV) grâce à ses remarquables propriétés mécaniques est devenue le matériau de choix (à la place de la fonte grise ou même de l’aluminium) pour les blocs moteurs diesel chez les principaux constructeurs tout en permettant un gain de poids substantiel.  
Un véhicule américain moyen contient 816 kg d’acier selon Macquarie. Toutefois, la construction de ce véhicule nécessite en fait 1255 kg d’acier, car 439 kg de scrapes sont générés durant la fabrication des pièces.

b)    L'aluminium
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La quantité par véhicule est actuellement de 130 kg d’aluminium, mais elle pourrait atteindre, selon Alcan, 160 kg en 2010 et 300 kg à l’horizon 2020. Le principal client de l’aluminium (pays occidentaux) est maintenant le secteur des transports (9 Mt, 30%), devançant celui de l’emballage.


L’enjeu sur la production d’aluminium est essentiel : 40 kg de plus par véhicule pour 60 millions de véhicules/an signifient 2,4Mt (la production mondiale d’aluminium est de 28 Mt).

La substitution de l'acier par l'aluminium avance inexorablement, pièce par pièce. Toutefois, les constructeurs considèrent que la substitution aluminium/acier n’est compétitive que lorsqu’elle permet un gain de poids de plus de 30%. Cette substitution a débuté par des pièces moulées sous pression (blocs moteurs essence et diesel depuis peu, à partir de lingots). Un bloc moteur en aluminium est 25% plus léger qu’un bloc en fonte, bien qu’il faille davantage d’aluminium pour égaler les mêmes qualités que la fonte (des bulles de gaz résiduelles peuvent se dilater avec la chaleur et briser l’alliage). La substitution concerne maintenant des pièces embouties (capots, portières et pavillons, à partir de tôles), et le formage met au point un châssis (« body in white ») tubulaire hydroformé recouvert d’une peau en aluminium et permettant de gagner jusqu’à 24% de poids (NewSteeel Body de ThyssenKrupp). La Vel Satis de Renault a ainsi gagné 80 kg sur les portes et le capot moteur. Les pièces deviennent également plus élaborées : pièces profilées déjà prêtes à l'emploi, tôles avec traitements de surface, etc. Si l'aluminium est 3 fois "plus léger" que l'acier,  le gain de masse effectif  sur la pièce substituée ne dépasse cependant pas 40% à 50%, car l'aluminium doit respecter le même cahier des charges que l'acier (atteindre le même niveau de résistance mécanique)





L'utilisation massive d'aluminium devrait à terme permettre de faire baisser de 1300 kg (2000) à une tonne le poids moyen des véhicules.

Les difficultés concernent le travail du métal [note : au niveau des procédés, il faut noter pour l'aluminium la soudure directe grâce au laser YAG/faisceau lumière transportée par fibre optique une considérable opportunité de développement de ce métal (à la place du rivetage).], sa corrosion, mais aussi et surtout les problèmes issus de la dilatation-rétraction. Le formage à chaud des alliages d'aluminium induit des allongements importants, complexes à gérer. En fait, les constructeurs testent et mettent au point leurs nouveaux alliages aluminium et procédés sur des modèles haut de gamme (A8-Audi, Jaguar-Ford, etc) avant de les décliner sur des segments de grande série. Ainsi, même les traitements finaux, comme la cuisson des peintures à 170°C, induit par dilatation sur des pièces embouties simples comme les pavillons, des contraintes importantes sur les jointures avec la caisse acier.

L’avantage de l’aluminium repose sur sa légèreté, mais aussi sur son excellente recyclabilité. Si l’aluminium primaire est cher et gros consommateur d’énergie, en revanche, il est facilement recyclable et avec un faible coût. Le métal primaire et le métal recyclé ont des utilisations différentes [Note : ) Il faut distinguer d'une part le moteur qui consomme surtout de l'aluminium secondaire issu du recyclage et d’autre part la structure (châssis, carrosserie) qui ne peuvent être réalisés qu’avec de l’aluminium primaire. L’utilisation passe ainsi graduellement des moteurs (carters de bloc moteur et de boites de vitesse, radiateurs, jantes, etc.) à la structure des véhicules, voire jusqu’au châssis] mais leur qualité se rapproche (Norsk Hydro). A l’horizon 2015, pour obtenir une recyclabilité des VHU de >95%, l’aluminium sera sans rival

Avec l’Audi A8, puis A2 « tout aluminium », le problème n’est plus de savoir si on doit davantage utiliser ces métaux dans les voitures, mais de s’assurer de leurs prix à long terme. Ainsi les voitures hybrides de GM et de Ford (Jaguar) auront une carrosserie en aluminium, permettant une économie de poids de 45% par rapport à l’acier. Dans ce but, des alliances stratégiques se nouent entre les constructeurs de véhicules, et les producteurs d’aluminium, via des contrats d’approvisionnement à long terme qui garantissent les constructeurs contre toute fluctuation intempestive du marché. Le responsable achat (commodity manager) de GM est considéré comme l’une des personnes les plus influentes de l’industrie de l’aluminium.


c)   Le magnésium
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Le magnésium n'a que des qualités, il est plus léger que l’aluminium, abondant, facile à transformer (la réalisation de pièces complexes par simple fonderie en raison de sa coulabilité compense le coût matière) et recyclable. Mais on se souvient aussi de son caractère inflammable et de l’accident de Mercedes au Mans qui reste dans les mémoires. Actuellement, le prix du magnésium est encore le double de celui de l’aluminium, et ce différentiel devrait rester important pour la prochaine décennie. Selon le bureau d’étude CRU, pour espérer pouvoir se substituer à l’aluminium, le prix du magnésium doit préalablement descendre aux environs de 1,0 à 1,25 USD/lb. C’est seulement à ce niveau de prix que les quantités de magnésium par véhicule pourraient passer de 3 kg actuellement (5) (mais 3,5 kg par automobile en Amérique du Nord depuis 2001) à 100 kg à moyen terme (traduisant une croissance de très élevée de l’ordre de 18 % par an).

Le magnésium ne se substitue encore à l’acier que pour certaines pièces spécifiques (sièges, portes, éléments du tableau de bord), mais la croissance rapide de la consommation nécessite 150 000 t/an de capacités nouvelles à court terme (soit l’équivalent de trois nouveaux centres d’extraction).
Face à cette demande, on a d'abord assisté à une multiplication des projets industriels de fabrication de magnésium-métal ; mais la Chine est arrivée, inondant le marché de magnésium pour en prendre le contrôle maintenant près de 30% de la production mondiale. Les producteurs chinois (120 kt/an produits en 1998 et 100 exportés) ont de faibles capacités individuelles (1 à 2 kt/an, seulement trois produisent plus de 10 kt/an).  Ils ont conduit à des fermetures des usines occidentales comme en France, celle de Marignac (Pechiney).

De son côté, Mintek (Afrique du Sud) annonce avoir développé un nouveau type de traitement thermique appelé « advanced silico-thermic arc plasma reduction process » qui permettrait de produire le métal avec un coût de production moindre que les autres procédés thermiques actuels. On le voit le magnésium suscite une activité soutenue, tant au niveau du développement de nouveaux types de gisements, que des procédés métallurgiques.

d)   Le titane
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Ce métal a trois qualités : léger, résistant à la corrosion, et d’excellentes propriétés mécaniques ; et défauts : son prix et  son travail difficile.

Le titane, très utilisé en aéronautique, en est encore à des utilisations de niche dans la F1 et quelques automobiles haut de gamme compte tenu de son prix très élevé : échappement (pour Corvette : gain de poids de 41% par rapport à l’acier), valves (Toyota). Il est intéressant de constater que si sa densité est environ moitié de celle de l’acier, ses qualités mécaniques sont telles qu’une économie de poids de 60-70% peut être réalisée (suspensions).

Les alliages de Ti sont complexes : Al, Zr, Mo…, et de coût élevé. Leur emploi par l’industrie automobile est suspendu à l’arrivée sur le marché du « Ti low cost » [Note : De nouveaux procédés métallurgiques sont en cours d’étude : L’Université de Cambridge (D. Fray, G. Chen, Nature, 407, 361, 2000) propose une électrolyse du dioxyde de titane. Une électrode de dioxyde de titane est plongée dans du chlorure de calcium fondu à 950°C. Lorsqu’une tension négative est appliquée à cette électrode, l’oxygène de l’oxyde forme un oxyde de calcium soluble dans l’électrolyte , et laisse le métal sous forme poreuse sur l’électrode. Ce procédé serait 40% moins cher que le procédé Kroll et beaucoup plus rapide. D’autres procédés « molten salts, fluidised beds, plasmas, vapour-phase reduction » permettraient aussi de produire le titane métal en une seule fois, et non plus en plusieurs étapes comme c’est le cas actuellement] .L’abaissement du coût de production ouvrirait ainsi au titane de nouveaux marchés, notamment celui de l’industrie automobile. Mais au stade actuel des recherches, 10 ans seront encore nécessaires avant une entrée en production industrielle.
Le basculement d’un seul constructeur automobile pour des échappements en titane sur  un seul modèle populaire signifierait 3000 t, soit déjà 5% de la production mondiale actuelle de titane métal qui est estimée entre 50 et 60 000 t.

e)   Les alliages métalliques par opposition aux matériaux organiques (plastiques et composites)


Les matières plastiques progressent rapidement, en particulier les thermoplastiques (polypropylène, polyamide, polyéthylène, ABS, etc.), qui sont très présents dans l’habitacle, les pare-chocs, les ailes, les rétroviseurs. Toutefois les plastiques ont leurs propres limitations (limites mécaniques, température, accrochage de peintures, et surtout recyclage etc.) qui restreignent leur capacité de substitution.

Les températures sont de plus en plus chaudes sous le capot moteur vont nécessiter des alliages spéciaux à base de nickel et d’autres éléments. Toutefois, de nouveaux matériaux composites résistants à la température (la température sous capot est passée de 130 à 170-190°C) comme du nylon renforcé par de la fibre de verre résiste à ces températures. De plus, ce matériau possède des effets de surface brossé argenté conduisant à un aspect d’aluminium (en couvertures de moteur de BMW). On trouve aussi des superpolyamides (8,3 kg dont 6 sous capot), polyphtalamides chargés de verre, polysulfures de phénylène, mais les prix de ces matériaux organiques haute performance sont élevés, de 6 à 100 € le kg pour les polymères les plus élaborés. Dans le futur, l’industrie automobile empruntera, comme c’est souvent le cas, des procédés et des matériaux développées pour l’aéronautique comme des intermétalliques et de nouvelles familles de matériaux comme les MMC (metal matrix composites) sont également considérés, tout comme les  mousses métalliques. A ces nouveaux matériaux sont associés de nouvelles structures comme les structure en nids d’abeille, les laminés, etc.).

On notera les disques de freins en céramique, 50% plus légers que ceux en fonte, sur quelques modèles haut de gamme. Enfin, le futur est plein de promesses, comme les vitrages plastiques.




f)   Les autres matériaux
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•    Cuivre : Le passage aux commandes électriques (by-wire) permettant de supprimer les liaisons mécaniques-hydrauliques (pas de colonne de direction, ni circuit de freinage, ni pédalier), "comme dans l'aéronautique" conduisant ainsi à de nouveaux allégements. Cependant, le by-wire impliquera un doublement du câblage électrique et plus de connecteurs et de moteurs électriques (une BMW contient 120 petits moteurs actionneurs); soit au total davantage de cuivre.  Par ailleurs, pour éviter le foisonnement d’un millier de fils électrique en cuivre qui représente déjà une longueur totale plus de 1 km par véhicule. Au total, la quantité de cuivre représente 1,74 % du poids total d’un véhicule, soit 22,5 kg. De ce fait, les constructeurs développent le multiplexage, système permettant de faire passer plusieurs fonctions dans un même, ce qui permettra de réduire de40 % cette quantité de cuivre. Mais les nouveaux véhicules hybrides contiennent jusqu’à 45 kg de cuivre ! On voit ainsi que lesévolutions technologiques conduisent tantôt à une augmentation de la quantité de cuivre, tantôt à une réduction.
•    Zinc : en plus de pièces en alliages de zinc, il faut prendre en compte que l’acier des carrosseries est de l’acier galvanisé.
•    Plomb : Tous les nouveaux équipements de confort sont de gros consommateurs d’énergie électrique, ce qui devrait impliquer le passage au 42V, et plus encore la nécessité d’une deuxième batterie. Le plomb a encore de beaux jours devant lui, même si on pressent que la chaîne de substitution « batteries au plomb, batteries Ni-MH et batteries Li(Co-Mn)-ion » se mettra en place plus ou moins rapidement.
•    Poudres métalliques : L’utilisation de la métallurgie des poudres métalliques est en croissance forte dans l’automobile (« powder metals goes as automotive goes »), mais les statistiques disponibles n’indiquent généralement pas leur composition.