L’aluminium dans le transport routier

L’utilisation d’aluminium est en constante croissance dans le domaine du transport. La consommation d’aluminium dans le marché du transport représente 27 % de la production mondiale. Avec le désir de réduire l’empreinte environnementale, il est prévu que la consommation d’aluminium dans le transport augmentera dans les années à suivre.

La voiture est le moyen de transport de passagers le plus courant au monde. Notons qu’en Amérique du Nord, l’utilisation de camions légers, pour le déplacement des passagers, doit aussi être considérée puisque les statistiques les rendent responsables d’une large part des émissions de GES. Le matériau largement utilisé dans la fabrication des voitures est l’acier puisqu’il est peu coûteux. La substitution de l’acier par un autre matériau, dont l’aluminium, est l’approche privilégiée par l’industrie pour augmenter l’efficacité et réduire les GES.

Principales applications de l’aluminium dans les véhicules routiers

La carrosserie et le groupe motopropulseur dominent la consommation de l’aluminium en raison des effets supérieurs d’allègement. Le prix relativement bas de l’aluminium est un incitatif.

Application	Type d'aluminium
Groupe motopropulseur	Pièces moulées
Roues	Pièces moulées, feuilles forgées
Châssis	Feuilles laminées, moulées
Panneaux de carrosserie	Feuilles moulées, extrusions, profilés
Tubes, connecteurs, changeurs d’air	Extrusions, feuilles

Sources : Analyse strategy& (PwC), Divers fournisseurs d’aluminium

Aluminium et secteur automobile

Dans le secteur automobile, la substitution de l’acier doux par l’aluminium a crû de façon constante au cours des 50 dernières années. Durant cette période, la quantité d’aluminium dans une voiture est passée de moins de 38 kg (85 lb) à 180 kg (397 lb). D’abord introduit dans la fabrication d’échangeurs de chaleur, l’aluminium a progressivement fait son chemin jusqu’à la structure monocoque (body-in-white) de l’automobile, sans oublier les panneaux de carrosserie qui constitueront la plus forte croissance.

Il est projeté qu’en 2028, une voiture moyenne contiendra près de 256 kg (565 lb) d’aluminium, qui sera intégré dans un ensemble multimatériaux.^[1] En 2011, Ducker Worlwide et The Aluminum Association prévoyaient que l’évolution de la construction de la structure monocoque (body-in-white) d’une automobile pourrait se faire selon deux cheminements. Le point de départ est commun où l’aluminium sera immanquablement utilisé dans la fabrication des panneaux de carrosserie. L’évolution de la structure monocoque pourrait ensuite suivre deux scénarios où, pour l’un, elle sera entièrement construite en aluminium et, pour l’autre, sa construction combinera l’aluminium et l’acier à haute résistance. Dans les deux cas, la conclusion converge vers l’utilisation de plusieurs matériaux.

Croissance de l’aluminium dans l’automobile.^[1]

Évolution de la structure monocoque et des panneaux de carrosserie d’une automobile^[2]

Les procédés présentement utilisés dans la fabrication de pièces d’automobiles sont l’emboutissage, le cintrage, la coulée par gravité, à basse et à haute pression. Ce dernier, lorsqu’il est assisté par un système de vide d’air, permet la production de pièces à haute intégrité qui sont maintenant utilisées dans des applications structurales.

À moindre échelle, mais tout aussi intéressants, l’hydroformage et le thermoformage. Les figures suivantes montrent différentes composantes produites par ces deux procédés de mise en forme.

Thermoformage à haute vitesse ou « High Speed Blow Forming (HSBF) » ©Verbom^[3]

Structure d’aluminium de la Corvette Stingray C7 (2014). ©General Motors du Canada

Soudure par points de résistance électrique.^[4]

Soudure par laser.^[5] ©General Motors du Canada

Exemples d’utilisation de l’aluminium dans l’automobile

En 1994, pour son modèle A8, Audi avait le choix entre une carrosserie en acier de 441 kg et une en aluminium de 247 kg. L’aluminium a été choisi pour réduire le poids du véhicule. Les gains indirects ont été de 45 kg, soit 23 % de l’allégement initial de 194 kg, représentant ainsi une réduction de 239 kg. ^[6] De plus, Heinrich Timm, directeur du centre du design d’Audi affirme que l’aluminium contribue à diminuer de 40 % le poids d’un véhicule en comparaison avec l’acier. ^[7]

Ford a utilisé l’aluminium dans la fabrication du modèle F-150, 2015, permettant ainsi de réduire de 700 livres le poids du véhicule par rapport au modèle original. ^[8] Cela a permis de réduire la consommation de carburant et d’augmenter la charge utile. Notons aussi que le véhicule est doté d’une meilleure performance à l’accélération et au freinage. À titre d’information complémentaire, le F-150 est un exemple d’une fabrication multimatériaux : l’habitacle et la caisse sont fabriqués en aluminium alors que le châssis est fabriqué d’acier à haute résistance pour permettre l’installation des accessoires de remorquage.

Aluminium comme amortisseur de collision

Les critères de sécurité imposés aux voitures permettent de réduire les risques de blessures en cas d’accidents. Bien que les réglementations varient entre les pays, généralement parlant, trois types de collisions sont considérées et chacun amène une réponse différente en matière de conception du système d’absorption des chocs.

• À basse vitesse, < 15 km/h, l’objectif est de réduire les dommages causés au véhicule.
• À vitesse intermédiaire, entre 15 et 40 km/h, l’emphase est mise sur la protection du partenaire de collision le plus fragile (piéton).
• Au-dessus de 40 km/h, la priorité devient la protection des personnes dans l’habitacle. ^[9]

Les propriétés de l’aluminium permettent de concevoir des composantes d’absorption d’énergie et des cages de protection. L’effet d’absorption d’énergie est obtenu par la déformation axiale de tubes d’aluminium qui s’écrasent de façon contrôlée selon différents patrons répétitifs.

La conception d’un tube d’absorption d’énergie implique le choix de l’alliage, de sa condition de trempe, ainsi que de sa géométrie. Dans le domaine de la fabrication d’automobiles en grande série, le traitement thermique final des pièces d’aluminium se fait dans le four de cuisson de la peinture, et il importe de bien prévoir l’état initial de la pièce afin qu’elle possède les propriétés voulues à la fin du cycle.

Alliages utilisés dans l’industrie automobile

L’industrie automobile exploite les avantages de l’aluminium par l’entremise d’une grande variété de procédés de mise en forme et d’alliages.

Le groupe motopropulseur contient présentement de 55 à 70 % de tout l’aluminium contenu dans une automobile actuelle. Il s’agit, en grande partie, des pièces obtenues par des procédés de fonderie tels les boîtiers de transmission, les têtes et les blocs moteurs pour n’en nommer que quelques-uns. Les procédés de fonderie utilisés dans la fabrication de ces pièces sont multiples : coulée à basse pression en moule de sable avec modèle perdu, coulée en moule permanent à gravité, coulée en moule permanent à basse pression, coulée en moule permanent à haute pression avec ou sans assistance par vide d’air, coulée à cire perdu en coquille de céramique, le squeeze casting ou rhéomoulage. ^[10]

Quelques-uns des principaux alliages d’aluminium retrouvés dans les procédés de fonderie sont les A356, A380 et A319, qui seront utilisés dans les différentes conditions F, T4, T5 et T6, selon l’application. D’autres alliages sont aussi utilisés, certains n’ayant pas encore été normalisés. Notons que l’alliage A356, sous différentes variantes, entre dans la fabrication des roues coulées. ^[11]

Les éléments de suspension sont généralement fabriqués d’alliages 6082, 6066, souvent mis en forme par forgeage. Les composantes de la carrosserie sont généralement fabriquées d’alliages de la série 6xxx, mettant à contribution l’augmentation des propriétés mécaniques obtenues par le durcissement par précipitation qui se fait alors simultanément avec le durcissement de la peinture lors du passage dans les fours. Quelques-uns de ces alliages sont les 6005A, 6014, 6016, 6022, 6451, ainsi que plusieurs autres, non normalisés, qui ont été élaborés pour répondre aux besoins spécifiques des grands constructeurs. Les alliages de la série 5xxx sont utilisés pour leur résistance ainsi que pour leur formabilité. On peut retrouver plus d’une dizaine de différents alliages dans une même automobile. ^[12]

Aluminium et transports moyen et lourd

Le transport lourd constitue un maillon important de l’activité économique d’un pays et il importe de bien adapter la stratégie d’amélioration énergétique à cette réalité.

Alors qu’une automobile, chargée de quatre occupants, voit sa masse multipliée par un facteur de 1.25, ce facteur devient 2.5 dans le cas d’un camion-remorque à pleine charge. Les constructeurs automobiles visent à réduire la consommation d’essence, mesurée en litre/100 km (ou mille au gallon). Les constructeurs de véhicules lourds, pour leur part, déploient des efforts pour augmenter l’efficacité du fret, qui fait alors intervenir la notion de masse utile transportée. L’unité de mesure devient alors le litre/100 km/tonne (ou la tonne x mille/gallon). Les États-Unis ont mis en place une réglementation qui précise des cibles d’efficacité du fret de plus en plus restrictives jusqu’en 2027.

L’aluminium est déjà utilisé dans différentes classes de camions, soit pour des habillages, des systèmes de rangement ou autres accessoires utilitaires. Selon la classe du camion et son usage, un allègement peut permettre d’augmenter la charge utile et les revenus, justifiant ainsi l’investissement initial plus élevé, pourvu que la période de retour sur l’investissement soit suffisamment courte. Ainsi, chaque type de transport aura un intérêt différent face à l’allègement. 

L’utilisation de l’aluminium dans un véhicule lourd de classe 8. ^[13] Exemple du « SuperTruck » qui visait à explorer l’ensemble des technologies permettant de doubler l’efficacité du fret de camions de classe 8. L’allègement faisait évidemment partie du lot des technologies étudiées et un châssis complet a ainsi été conçu par Arconic (anciennement Alcoa) et deux prototypes ont été fabriqués par la compagnie Metalsa.

Corrosion

La corrosion demeure un souci constant dans l’industrie automobile. L’utilisation grandissante de matériaux multiples implique d’élaborer des stratégies de protections adaptées. Les constructeurs y répondent en utilisant une stratégie de protection comportant généralement plusieurs barrières. Les concepteurs utilisent des géométries de joints et des méthodes d’assemblage qui éviteront l’accumulation d’eau et isoleront les métaux de natures différentes dans le but d’éliminer le risque de corrosion galvanique. L’utilisation judicieuse de scellants et d’adhésifs, couplés à d’autres méthodes d’assemblage ont démontré leur efficacité. Un exemple nous est donné par le modèle TT de Audi. L’arrière de cette voiture est fabriqué d’acier alors que le reste est en aluminium. Les deux parties sont assemblées par une combinaison de rivets et d’adhésifs. Ce dernier coupe le contact entre les métaux et ne laisse aucune cavité où de l’eau pourrait s’infiltrer.

Fatigue

La fatigue est le phénomène par lequel des efforts répétés parviennent à créer un endommagement et ce, à un niveau de contrainte inférieur à la limite élastique d’un matériau. L’aluminium est sensible à la fatigue et les fabricants de véhicules en tiennent compte afin d’éviter des défaillances. Généralement, il sera avisé d’éviter les géométries formant des concentrateurs de contraintes et d’élaborer une stratégie d’assemblage adéquate. Ainsi, les joints seront positionnés aux endroits les moins sollicités ou, à défaut de pouvoir le faire, ils seront conçus de façon à offrir la résistance voulue. L’élément crucial est de bien connaître la nature de l’utilisation du produit. Une automobile est exposée à un éventail d’efforts cycliques différents qui sont générés par la route, le moteur, le freinage et l’accélération et ce, selon des fréquences d’excitation très différentes qui doivent être considérées.

Références :
[1] Ducker Worldwide. (2017). ALUMINUM CONTENT IN NORTH AMERICAN LIGHT VEHICLES 2016 TO 2028 Summary Report. Document PDF. Repéré à http://www.drivealuminum.org/research-resources/ducker-worldwide-study-aluminum-content-in-north-american-light-vehicles-2016-to-2028/ p.10
[2] Alcoa, Ducker. (2016). The Changing Make Up of Automobiles. Webinar. Repéré à https://www.slideshare.net/DriveAluminum/2011-septducker-webinar?qid=e9ecf796-8933-42e9-8763-11ccb19c273f&v=&b=&from_search=1  p.22
[3] Verbom. (2017). Thermoformage d’aluminium. En ligne. Repéré à http://www.verbom.com/thermoformage-daluminium/
[4] Fabricating metalworking. (2012). Resistance Spot Welding of Aluminum Moves to Production Line. En ligne. Repéré à http://www.fabricatingandmetalworking.com/2012/05/resistance-spot-welding-of-aluminium-moves-to-production-line/
[5] Photonic. (2016). Laser Welding Joins the Lightweighting Trend. En ligne. Repéré à https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=61137
[6] The International Aluminium Institute. (2016). Légèreté. En ligne. Repéré à http://transport.world-aluminium.org/fr/avantages/legerete/
[7] The International Aluminium Institute. (2016). Voitures. En ligne. Repéré à http://transport.world-aluminium.org/fr/modes/voitures/
[8] L’école de l’automobile. (2017). Carrosserie : ce qu’il faut savoir sur l’utilisation de l’aluminium. En ligne. Repéré à http://www.ecoleauto.com/blog/carrosserie-ce-quil-faut-savoir-sur-lutilisation-de-laluminium/
[9] European Aluminium, Aluminium Automotive –  Crash Management Systems, document PDF, Repéré à https://www.european-aluminium.eu/media/1548/4_aam_crash-management-systems1.pdf
[10] European Aluminium, Aluminium Automotive – Casting Methods, Document PDF, Repéré à https://www.european-aluminium.eu/media/1526/aam-manufacturing-1-casting-methods.pdf
[11] European Aluminium, Aluminium Automotive – Power train, Document PDF, Repéré à https://www.european-aluminium.eu/media/1568/aam-applications-power-train-0-introduction.pdf
[12] European Aluminium, Aluminium Automotive –  Chassis & Suspension, Document PDF, Repéré à https://www.european-aluminium.eu/media/1561/aam-applications-chassis-suspension-2-suspension-parts.pdf
[13] Alcoa innovation, webinaire juin 2016, L’utilisation de l’aluminium dans un véhicule lourd de classe 8.