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LES BIOCOMPOSITES THERMODURCISSABLES À BASE DE LIN DANS L’AUTOMOBILE RAPPORT DE

LES BIOCOMPOSITES THERMODURCISSABLES À BASE DE LIN DANS L’AUTOMOBILE RAPPORT DE VEILLE TECHNOLOGIQUE ET D’INTELLIGENCE ECONOMIQUE ANTHONY ANDRIEU - MAXIME HEDOU - AGATHE MOUREN - PHILIPPE PHAM GRENOBLE INP - PAGORA 02 MAI 2019 ANTHONY ANDRIEU - MAXIME HEDOU - AGATHE MOUREN - PHILIPPE PHAM 1 Table des matières Introduction ...................................................................................................................... 2 1. Les composites dans l’automobile .............................................................................. 4 1.1. Historique des composites dans l’automobile ................................................................. 5 1.2. Le marché de l’automobile et des composites ................................................................ 6 1.3. Les matériaux utilisés .................................................................................................... 7 1.3.1. Les contraintes des constructeurs ................................................................................................ 7 1.3.2. Les attentes des clients finaux ...................................................................................................... 8 1.3.3. Les polymères employés pour répondre à ces exigences ............................................................. 9 1.3.3.1. Les pièces produites ............................................................................................................... 10 1.3.3.2. Les propriétés ......................................................................................................................... 10 1.3.4. Les nouveaux matériaux : les biocomposites ............................................................................. 12 1.3.4.1. Présentation ........................................................................................................................... 12 1.3.4.2. Le marché des biocomposites ................................................................................................ 14 2. Les biocomposites dans l’automobile ........................................................................ 17 2.1. Les renforts fibreux : Fibres de verre VS fibres végétales ............................................... 17 2.1.1. Production, extraction ................................................................................................................ 17 2.1.1.1. Les fibres de verre .................................................................................................................. 17 2.1.1.2. Les fibres de carbone .............................................................................................................. 17 2.1.1.3. Les fibres naturelles ................................................................................................................ 18 2.1.2. Propriétés.................................................................................................................................... 23 2.1.2.1. Les fibres de verre .................................................................................................................. 23 2.1.2.2. Les fibres de carbone .............................................................................................................. 24 2.1.2.3. Les fibres naturelles ................................................................................................................ 25 2.2. Les matrices polymères ................................................................................................ 27 2.2.1. Mise en forme ............................................................................................................................. 27 2.2.1.1. Les thermoplastiques ............................................................................................................. 28 2.2.1.2. Les thermodurcissables .......................................................................................................... 29 2.2.2. Propriétés.................................................................................................................................... 31 2.3. Impact environnemental .............................................................................................. 32 2.3.1. Définition de l’Analyse de Cycle de Vie (ACV) ............................................................................. 32 2.3.2. ACV de la production de fibres de lin ......................................................................................... 34 2.3.3. ACV d’un composite polypropylène / lin pour l’automobile ...................................................... 36 3. Analyse stratégique ................................................................................................. 38 3.1. Les enjeux économiques des biocomposites dans l’automobile ..................................... 38 3.2. Structure concurrentielle de l’industrie des composites – Diagramme de PORTER ......... 40 3.3. Perspectives d’évolution .............................................................................................. 42 3.3.1. Diagnostic stratégique – Matrices SWOT ................................................................................... 42 3.3.2. Élaboration de scénarios ............................................................................................................. 44 Conclusion ...................................................................................................................... 47 Bibliographie .................................................................................................................. 48 Table des figures ............................................................................................................. 51 Annexe ........................................................................................................................... 53 ANTHONY ANDRIEU - MAXIME HEDOU - AGATHE MOUREN - PHILIPPE PHAM 2 Introduction Le secteur de l’automobile est actuellement en plein essor dans le monde. En effet, il est le symbole du développement d’un pays, de l’accroissement de la population et d’un besoin de mobilité grandissant. En effet selon l’INSEE [1], en 1990 seulement 76,8% des ménages français possédaient au moins une voiture contre 82,9% en 2015. Dans les années 60, la voiture ne contenait que 6% de matériaux plastiques contre 15% aujourd’hui [4 - 2018]. Cette évolution s’explique par un cahier des charges de plus en plus pointu avec la recherche du meilleur matériau et d’un procédé de fabrication optimisé pour chaque pièce. Ces contraintes peuvent être d’ordre technique, industriel, économique (coût des matériaux, de la production), ou bien encore socio-environnemental (normes, envie du client). Par exemple, la consommation du carburant cherche constamment à être diminuée pour des raisons économiques et environnementales. Cela est directement relié à la diminution de la masse du véhicule. Ainsi une partie des pièces métalliques a été remplacée par du plastique. Aussi, la diminution de la masse diminue les contraintes mécaniques subies par les voitures et donc allonge le temps de vie de celles-ci. L’évolution des matériaux utilisés implique une évolution des techniques, en effet le changement de matériaux doit impacter le plus faiblement possible les propriétés mécaniques des pièces. Afin de répondre à ces différentes contraintes, sont apparus les matériaux composites1 dans l’automobile au milieu des années 1950. A cette époque, il y avait peu de diversité dans les matériaux employés et les procédés de transformation. Les industriels employaient principalement comme matrices des polyesters thermodurcissables avec des renforts en fibres de verre courtes. Ces composites étaient fabriqués manuellement dans des moules ouverts ou fermés suivant le procédé SMC (Sheet Moulding Compound). Au XXIe siècle, il existe une plus grande variété de matériaux et de procédés. Les matrices sont soit thermoplastiques (polypropylène, polyamide, polyuréthane, ...) soit thermodurcissables (polyester, vinylester, époxy, polydicyclopentadiène,...). Les renforts peuvent être des fibres de verre, d’aramide, de carbone ou encore thermoplastiques. Elles peuvent être aussi végétales et utilisées sous différentes formes (courte ou longue, continue, tissée, tressée, tricotée). 1 Voir la définition d’un matériau composite en introduction de la partie 1 : Les composites dans l’automobile. ANTHONY ANDRIEU - MAXIME HEDOU - AGATHE MOUREN - PHILIPPE PHAM 3 Figure 1 : La place des composites dans une voiture [NIEDERCORN 3 - 2012] Selon les véhicules, les pièces de la voiture en composites représentent entre 10-20% en masse, répartis de la manière suivante [3] : • équipement intérieur ou habitacle : 50 % • applications extérieures : 30 à35 % • pièces sous capot :15% • pièces de structure : 0 à 5% L’utilisation de fibres végétales ou naturelles comme renfort dans les composites est en pleine croissance. Elles ont beaucoup d’avantages comme leur faible densité (ce qui va permettre de réduire drastiquement le poids des pièces), leur disponibilité, leur empreinte carbone neutre et leur prix ainsi que leurs propriétés mécaniques. Cela rend ces fibres attrayantes par rapport aux fibres de verre, de carbone et autres fibres synthétiques utilisées plus conventionnellement [4]. En effet, le principal argument de l’emploi des fibres naturelles dans l’automobile est leur faible densité : la densité du lin est de 1,4 g/cm³ alors que celle de la fibre de verre est 2,5 g/cm³. L’utilisation de ces fibres permet donc de réduire le poids des composites et donc des pièces dans la voiture ce qui va encore réduire la consommation du véhicule et ses émissions de gaz à effet de serre. L’autre argument fort des fibres naturelles est qu’elles permettent de réduire la consommation en énergie dans le processus, de réduire le coût de fabrication du composite et d’améliorer certaines propriétés comme l’amortissement ou l’acoustique. ANTHONY ANDRIEU - MAXIME HEDOU - AGATHE MOUREN - PHILIPPE PHAM 4 Les faisceaux de fibres de lin2 sont privilégiées dans le secteur de l’automobile car elles ont une faible densité (donc une forte capacité d’allègement des pièces), de bonnes propriétés mécaniques et sont peu chères (grâce à leur forte disponibilité) par rapport aux autres fibres végétales. En effet leur forte disponibilité en Europe est due au fait que la France en est le premier producteur mondial en quantité et en qualité [5]. La recherche et l’industrialisation sur les composites à base de fibres lignocellulosiques connaît un essor considérable depuis quelques années [17 – 2017]. Les fibres de lin sont de plus en plus utilisées par rapport aux fibres de verre pour faire face au défi de développer des technologies durables et de fabriquer des matériaux écologiquement plus acceptables. Cependant, les défis d’utilisation des fibres végétales comme renfort dans des polymères sont nombreux. Ce rapport permettra de montrer quels sont ces défis et comment sont-ils relevés. Il permettra également de montrer comment les biocomposites thermodurcissables à base de fibres de lin ont réussi à s’intégrer dans le secteur automobile. 1. Les composites dans l’automobile Un matériau composite est un assemblage d’au moins deux matériaux de natures et de miscibilités différentes. Chaque composite est composé d’une matrice et d’un renfort. Le renfort constitue le squelette et supporte l’ensemble des contraintes du composite. Les renforts peuvent être de quatre sortes [6] : • Renfort organique (ex : fibre de verre) • Renfort minéral (ex : fibre de carbone) • Renfort métallique (ex : fibre de bore) • Renfort “vert” (ex : fibre de lin, fibre de chanvre) Un biocomposite est un composite qui possède soit une matrice biosourcée, soit des renforts naturels, soit les deux. Il est soit appelé “biocomposite vert” si la matrice ou le renfort est d’origine biosourcé, soit “biocomposite vert-vert” si les deux matériaux sont biosourcés. La matrice garantit la liaison de l’ensemble, protège le renfort et répartit les efforts. Les matrices peuvent être soit de type époxy, polyester, phénolique. L'intérêt d’un composite est la combinaison de plusieurs propriétés. En effet, chaque matériau utilisé possède certaines propriétés et l’assemblage de plusieurs matériaux permet d’augmenter la diversité des propriétés du composite (mécaniques, thermiques et chimiques). 2 Dans ce rapport, « Fibre végétale » se rapporte à « Faisceau de fibres » par abus de langage ANTHONY ANDRIEU - MAXIME HEDOU - AGATHE MOUREN - PHILIPPE PHAM 5 1.1. Historique des composites dans l’automobile La première apparition des composites dans l’industrie automobile s’est faite en 1953 où les châssis et les panneaux de carrosserie de la Chevrolet Corvette et berlinette Alpine étaient réalisés en polyester avec contact de fibres de verre. [7] En 1955, le toit de la Citroën DS 19 est fabriqué en grande série en panneaux non métalliques (mélange d’un polyester avec des fibres de verre). En 1957 à cause de la pénurie d’acier en Allemagne de l’est, la carrosserie de la Trabant 601 est fabriquée en résine phénolique thermodurcissable renforcée par des fibres de coton. En 1968, la Méhari Citroën possède une coque en ABS thermoformé et teinté dans la masse. En 1972, les boucliers avant et arrière de la Renault 5 sont un mélange de polyester et uploads/Industriel/2019-biocomposite-lin-automobile.pdf