La collaboration entre l’industrie, des établissements d’enseignement supérieur et le CNRC fait progresser les procédés de fabrication de pièces en matériaux composites utilisés dans le secteur du transport.
La transition vers des sources d'énergie plus propres dans l'industrie des transports afin d'atteindre les objectifs de carboneutralité s'est avérée être un défi technologique majeur pour tous les acteurs de la chaîne d'approvisionnement. Ces nouvelles cibles d'émission obligent les fabricants à redoubler de créativité pour améliorer la conception et la production des véhicules, notamment en réduisant leur poids, c'est-à-dire en procédant à l'allégement des véhicules. La réduction de poids des véhicules est essentielle non seulement en raison de l'impact sur la consommation de carburant, mais aussi pour compenser le gain en masse provenant des nouveaux systèmes de propulsion comme les batteries.
L'une des solutions qui s'offrent à l'industrie pour réduire l'empreinte carbone des véhicules est l'utilisation de matériaux composites permettant de construire des véhicules plus légers, plus sûrs et plus écoénergétiques. Comme leur nom le suggère, les matériaux composites sont créés à partir d'une combinaison de matériaux, tels que des polymères renforcés par des fibres possédant ensemble des caractéristiques physiques et chimiques uniques permettant d'augmenter la résistance, la rigidité et la durabilité des composantes des véhicules. Ces composites haute performance à base de résines thermodurcissables peuvent être fabriqués selon la forme souhaitée par moulage par compression et présentent de nombreux avantages par rapport aux métaux. Les matériaux composites exigent notamment moins d'entretien parce qu'ils ne sont pas sujets à la rouille ni à la corrosion. Sur le plan de la production, l'utilisation de matériaux composites réduit le temps et les coûts d'assemblage, car contrairement aux métaux et alliages, leur grande souplesse de conception permet de créer des composantes structurelles avec moins de pièces et de réduire le nombre d'étapes de production.
Toutefois, étant donné la complexité des procédés de fabrication conventionnels des composantes en matériaux composites thermodurcissables, l'industrie des transports s'est heurtée à des problèmes de coûts et techniques dans l'adaptation de ces procédés et matériaux.
SNAP, la clé du succès
Pour surmonter ces défis et aider l'industrie à exploiter les solutions d'allégement offertes par les matériaux composites, les experts en composites polymères de pointe du Centre de recherche sur l'automobile et les transports de surface du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) ont lancé, en 2019, un nouveau groupe de R‑D industrielle appelé SNAP Composites, un nom qui évoque en anglais le besoin de « nouveaux procédés rapides et rentables » (« Short Novel Affordable Processes »). Cette initiative de collaboration d'une durée de 3 ans a réuni dix entreprises venant de tous les secteurs de la chaîne d'approvisionnement des transports de surface et 2 partenaires académiques issus du secteur de l'enseignement supérieur. Elle avait pour but de développer un procédé rapide et peu coûteux pour la fabrication de pièces de véhicule en composites thermodurcissables. Cette initiative a été financée par PRIMA Québec et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG).
Le groupe avait pour objectif de trouver une solution novatrice convenant à la fabrication de pièces pour l'ensemble du secteur des transports, des automobiles aux camions lourds. Pour y arriver, le groupe a évalué et mis au point 3 procédés de fabrication :
- le moulage par transfert de résine par compression (SNAP–RTM);
- le moulage de préimprégnés par compression (SNAP–PREG);
- le SNAP–HYBRIDE.
Chacun de ces 3 procédés s'appuie sur l'utilisation de résines thermodurcissables fortement réactives pour fabriquer rapidement (en moins de 10 minutes) des pièces structurelles intégrées en matériaux composites. Chaque méthode de fabrication est fondée sur la technique du moulage par compression. Dans le cas du procédé SNAP–RTM, on injecte et comprime des résines thermodurcissables à l'état liquide sur des renforts secs, tandis que dans le cas du procédé SNAP–PREG, on utilise plutôt des préimprégnés à faible coût. Le procédé SNAP–HYBRIDE consiste quant à lui à combiner des préimprégnés et des renforts locaux discontinus.
Le groupe SNAP Composites a testé avec succès ces 3 procédés et a créé un prototype de pièce pour les autocars de la société Prevost, l'un des membres du groupe et fabricant canadien d'autocars et de coquilles d'autobus qui appartient au groupe Volvo. Les travaux ont porté sur tous les aspects du cycle de développement de prototype : de la sélection et la caractérisation des matériaux à la fabrication et à l'évaluation des performances du prototype, en passant par la conception et la simulation. La pièce en matériaux composites ainsi créée est 35 % plus légère que la pièce métallique originale. Le groupe est aussi arrivé à fabriquer ce prototype structurel de très grande dimension et d'une forme très complexe en un seul morceau, à l'intérieur d'un cycle de production de 5 à 10 minutes.
Selon Nathalie Legros, responsable du programme sur la fabrication de produits en polymère et composite du Centre de recherche sur l'automobile et les transports de surface, la conception et la fabrication d'un prototype léger en matériaux composites pour les autocars électriques de Prevost ont été possibles grâce à un effort collectif qui a exigé la contribution de tous les partenaires impliqués. « Nos partenaires industriels ont fourni les matériaux et les requis nécessaires à la conception du prototype ainsi que de précieuses connaissances directement reliées à leurs besoins et à leurs exigences tout au long de ce projet. Nos partenaires du milieu des études supérieures, soit l'Université McGill et le Centre technologique en aérospatiale, ont quant à eux fourni un savoir-faire complémentaire au nôtre », a ajouté Legros.
Le projet a pris fin en décembre 2022 et Prevost teste actuellement le prototype dans ses installations. Si les résultats sont concluants, l'entreprise s'empressera de faire franchir de nouvelles étapes à la technologie développée. « Il est parfois difficile d'entrevoir initialement les résultats d'un projet, mais au bout du compte, il est gratifiant de constater que nous sommes en mesure de changer la donne en apportant par notre participation un ingrédient indispensable aux projets de R‑D menés en collaboration », affirme Alexandre Léger, ingénieur de produit chez Prevost.
« Les efforts soutenus du Conseil national de recherches du Canada combinés à l'importante contribution de chaque partenaire ont fait de ce projet une véritable réussite en atténuant les risques associés à la création et à l'adoption de ces méthodes de fabrication », indique Léger. « Le démonstrateur technologique fabriqué dans le cadre du projet, une fois caractérisé, pourra être implanté dans notre nouvelle gamme d'autocars de tourisme longue distance. »
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