La recherche étrangère dans le domaine des matériaux composites pour le transport ferroviaire dure depuis près d'un demi-siècle.Bien que le développement rapide du transport ferroviaire et du transport ferroviaire à grande vitesse en Chine et l'application de matériaux composites nationaux dans ce domaine battent leur plein, la fibre renforcée de matériaux composites largement utilisée dans le transport ferroviaire étranger est davantage de fibre de verre, ce qui est différent de celui des composites en fibre de carbone en Chine.Comme mentionné dans cet article, la fibre de carbone représente moins de 10 % des matériaux composites pour carrosserie développés par TPI Composites Company, et le reste est constitué de fibre de verre, ce qui permet d'équilibrer le coût tout en garantissant la légèreté.L'utilisation massive de la fibre de carbone entraîne inévitablement des problèmes de coûts, de sorte qu'elle peut être utilisée dans certains composants structurels clés tels que les bogies.
Depuis plus de 50 ans, Norplex-Micarta, un fabricant de composites thermodurcissables, a une activité stable dans la fabrication de matériaux pour les applications de transport ferroviaire, notamment les trains, les systèmes de freinage des trains légers et l'isolation électrique pour les rails électriques surélevés.Mais aujourd'hui, le marché de l'entreprise s'étend au-delà d'une niche relativement étroite et s'étend à davantage d'applications telles que les murs, les toits et les sols.
Dustin Davis, directeur du développement commercial de Norplex-Micarta, estime que le transport ferroviaire et d'autres marchés de transport de masse offriront de plus en plus d'opportunités à son entreprise, ainsi qu'à d'autres fabricants et fournisseurs de composites, dans les années à venir.Plusieurs raisons expliquent cette croissance attendue, parmi lesquelles l'adoption européenne de la norme incendie EN 45545-2, qui introduit des exigences plus strictes en matière de protection contre l'incendie, la fumée et les gaz (FST) pour les transports de masse.En utilisant des systèmes de résine phénolique, les fabricants de composites peuvent intégrer les propriétés nécessaires de protection contre l'incendie et la fumée dans leurs produits.
De plus, les exploitants de bus, de métro et de train commencent à prendre conscience des avantages des matériaux composites pour réduire les vibrations bruyantes et la cacophonie."Si vous avez déjà été dans le métro et entendu une plaque métallique claquer", a déclaré Davis.Si le panneau est en matériau composite, il coupera le son et rendra le train plus silencieux."
Le poids plus léger du composite le rend également attrayant pour les opérateurs de bus souhaitant réduire leur consommation de carburant et élargir leur gamme.Dans un rapport de septembre 2018, la société d'études de marché Lucintel prévoyait que le marché mondial des composites utilisés dans les transports en commun et les véhicules tout-terrain connaîtrait une croissance annuelle de 4,6 % entre 2018 et 2023, avec une valeur potentielle d'un milliard de dollars d'ici 2023. Les opportunités proviendront d'une variété d'applications, notamment les pièces extérieures, intérieures, de capot et de groupe motopropulseur, ainsi que les composants électriques.
Norplex-Micarta produit désormais de nouvelles pièces qui sont actuellement testées sur des lignes de train léger sur rail aux États-Unis.En outre, l'entreprise continue de se concentrer sur les systèmes d'électrification utilisant des matériaux à fibres continues et les combine avec des systèmes de résine à durcissement plus rapide."Vous pouvez réduire les coûts, augmenter la production et commercialiser toutes les fonctionnalités du phénolique FST", a expliqué Davis.Bien que les matériaux composites puissent être plus chers que les pièces métalliques similaires, Davis affirme que le coût n'est pas le facteur déterminant de l'application qu'ils étudient.
Léger et ignifuge
La rénovation de la flotte de 66 voitures ICE-3 Express de l'opérateur ferroviaire européen Duetsche Bahn est l'une des capacités des matériaux composites à répondre aux besoins spécifiques des clients.Le système de climatisation, le système de divertissement des passagers et les nouveaux sièges ont ajouté du poids inutile aux wagons ICE-3.De plus, le revêtement de sol en contreplaqué d'origine ne répondait pas aux nouvelles normes anti-feu européennes.L'entreprise avait besoin d'une solution de revêtement de sol permettant de réduire le poids et de répondre aux normes de protection incendie.Le revêtement de sol composite léger est la solution.
Saertex, un fabricant de tissus composites basé en Allemagne, propose un système de matériaux LEO® pour ses revêtements de sol.Daniel Stumpp, responsable mondial du marketing chez Saertex Group, a déclaré que LEO est un tissu superposé non frisé qui offre des propriétés mécaniques plus élevées et un plus grand potentiel de légèreté que les tissus tissés.Le système composite à quatre composants comprend des revêtements spéciaux résistants au feu, des matériaux renforcés de fibre de verre, du SAERfoam® (un matériau de base avec des ponts en fibre de verre 3D intégrés) et des résines vinylester LEO.
SMT (également basé en Allemagne), un fabricant de matériaux composites, a créé le sol grâce à un processus de remplissage sous vide utilisant des sacs sous vide réutilisables en silicone fabriqués par Alan Harper, une société britannique."Nous avons économisé environ 50 pour cent du poids du contreplaqué précédent", a déclaré Stumpp."Le système LEO est basé sur des stratifiés à fibres continues avec un système de résine non chargé avec d'excellentes propriétés mécaniques... . De plus, le composite ne pourrit pas, ce qui constitue un gros avantage, notamment dans les régions où il neige en hiver et où le sol est mouillé. »Le sol, la moquette supérieure et le caoutchouc répondent tous aux nouvelles normes ignifuges.
SMT a produit plus de 32 000 pieds carrés de panneaux, qui ont été installés à ce jour dans environ un tiers des huit trains ICE-3.Au cours du processus de rénovation, la taille de chaque panneau est optimisée pour s'adapter à une voiture particulière.Le constructeur de la berline ICE-3 a été tellement impressionné par le nouveau revêtement de sol composite qu'il a commandé un toit composite pour remplacer partiellement l'ancienne structure de toit métallique des wagons.
Aller plus loin
Proterra, un concepteur et fabricant californien de bus électriques zéro émission, utilise des matériaux composites dans toutes ses carrosseries depuis 2009. En 2017, l'entreprise a établi un record en parcourant 1 100 milles aller simple avec son Catalyst chargé par batterie. ®E2.Ce bus est doté d'une carrosserie légère fabriquée par le fabricant de composites TPI Composite.
* Récemment, TPI a collaboré avec Proterra pour produire un bus électrique composite tout-en-un intégré."Dans un bus ou un camion typique, il y a un châssis et la carrosserie repose sur ce châssis", explique Todd Altman, directeur du marketing stratégique chez TPI.Avec la conception à coque rigide du bus, nous avons intégré le châssis et la carrosserie, de manière similaire à la conception de la voiture tout-en-un. » Une seule structure est plus efficace que deux structures distinctes pour répondre aux exigences de performances.
La carrosserie monocoque du Proterra est spécialement conçue, conçue à partir de zéro pour être un véhicule électrique.Il s'agit d'une distinction importante, a déclaré Altman, car l'expérience de nombreux constructeurs automobiles et constructeurs de bus électriques a été de tenter des tentatives limitées pour adapter leurs conceptions traditionnelles de moteurs à combustion interne aux véhicules électriques."Ils prennent les plates-formes existantes et essaient d'emballer autant de batteries que possible. Cela n'offre pas la meilleure solution à aucun point de vue."", a déclaré Altman.
De nombreux bus électriques, par exemple, sont équipés de batteries à l’arrière ou sur le dessus du véhicule.Mais pour Proterra, TPI est capable de monter la batterie sous le bus."Si vous ajoutez beaucoup de poids à la structure du véhicule, vous voulez que ce poids soit aussi léger que possible, tant du point de vue des performances que du point de vue de la sécurité", a déclaré Altman.Il a noté que de nombreux constructeurs de bus et de voitures électriques retournent désormais à la planche à dessin pour développer des conceptions plus efficaces et plus ciblées pour leurs véhicules.
TPI a conclu un accord de cinq ans avec Proterra pour produire jusqu'à 3 350 carrosseries d'autobus composites dans les installations de TPI de l'Iowa et du Rhode Island.
Besoin de personnaliser
La conception de la carrosserie du bus Catalyst nécessite que TPI et Proterra équilibrent constamment les forces et les faiblesses de tous les différents matériaux afin de pouvoir atteindre les objectifs de coûts tout en atteignant des performances optimales.Altman a noté que l'expérience de TPI dans la production de grandes pales d'éoliennes mesurant environ 200 pieds de long et pesant 25 000 livres leur permet de produire relativement facilement des carrosseries d'autobus de 40 pieds pesant entre 6 000 et 10 000 livres.
TPI est capable d'obtenir la résistance structurelle requise en utilisant sélectivement la fibre de carbone et en la conservant pour renforcer les zones qui supportent la plus grande charge."Nous utilisons de la fibre de carbone là où vous pouvez acheter une voiture", a déclaré Altman.Dans l'ensemble, la fibre de carbone représente moins de 10 pour cent du matériau de renforcement composite de la carrosserie, le reste étant constitué de fibre de verre.
TPI a choisi la résine vinylester pour une raison similaire."Quand on regarde les époxy, ils sont excellents, mais quand on les durcit, il faut augmenter la température, donc il faut chauffer le moule. C'est une dépense supplémentaire", a-t-il poursuivi.
L'entreprise utilise le moulage par transfert de résine sous vide (VARTM) pour produire des structures sandwich composites qui confèrent la rigidité nécessaire à une coque unique.Au cours du processus de fabrication, certains raccords métalliques (tels que les raccords filetés et les plaques taraudeuses) sont incorporés au corps.Le bus est divisé en parties supérieure et inférieure, qui sont ensuite collées ensemble.Les ouvriers doivent ensuite ajouter de petits embellissements composites tels que des carénages, mais le nombre de pièces ne représente qu'une fraction de celui du bus métallique.
Après avoir envoyé la carrosserie finie à l'usine de production de bus Proterra, la chaîne de production se déroule plus rapidement car il y a moins de travail à effectuer."Ils n'ont pas besoin de faire tout le soudage, le meulage et la fabrication, et ils disposent d'une interface très simple pour connecter la carrosserie à la transmission", a ajouté Altman.Proterra permet de gagner du temps et de réduire les frais généraux car moins d'espace de fabrication est requis pour la coque monocotique.
Altman estime que la demande de carrosseries de bus composites continuera de croître à mesure que les villes se tourneront vers les bus électriques pour réduire la pollution et réduire les coûts.Selon Proterra, les véhicules électriques à batterie ont le coût de cycle de vie d'exploitation le plus bas (12 ans) par rapport aux bus diesel, au gaz naturel comprimé ou aux bus hybrides diesel.C'est peut-être l'une des raisons pour lesquelles Proterra affirme que les ventes de bus électriques alimentés par batterie représentent désormais 10 % du marché total des transports.
Il existe encore quelques obstacles à l’application généralisée des matériaux composites dans la carrosserie des bus électriques.L'une d'entre elles est la spécialisation des besoins des différents clients des bus."Chaque autorité de transport aime aménager les autobus d'une manière différente : configuration des sièges, ouverture des écoutilles. C'est un défi de taille pour les constructeurs d'autobus, et bon nombre de ces éléments de configuration pourraient nous revenir.""Altman a déclaré. "Les carrossiers intégrés veulent avoir une construction standard, mais si chaque client souhaite un haut degré de personnalisation, cela va être difficile de le faire." TPI continue de travailler avec Proterra pour améliorer la conception du bus afin de mieux gérer la flexibilité requise par les clients finaux.
Explorez la possibilité
Composites continue de tester si ses matériaux conviennent aux nouvelles applications de transport de masse.Au Royaume-Uni, ELG Carbon Fibre, spécialisée dans les technologies de recyclage et de réutilisation de la fibre de carbone, dirige un consortium d'entreprises développant des matériaux composites légers pour les bogies des voitures particulières.Le bogie soutient la carrosserie de la voiture, guide l'essieu et maintient sa stabilité.Ils contribuent à améliorer le confort de conduite en absorbant les vibrations des rails et en minimisant la force centrifuge lorsque le train tourne.
L'un des objectifs du projet est de produire des bogies 50 % plus légers que des bogies métalliques comparables."Si le bogie est plus léger, il endommagera moins la voie et, comme la charge sur la voie sera moindre, le temps et les coûts de maintenance pourront être réduits", explique Camille Seurat, ingénieur développement produit ELG.Des objectifs supplémentaires sont de réduire de 40 % les forces exercées sur les roues entre le côté et le rail et d'assurer une surveillance de l'état à vie.Le Rail Safety and Standards Board (RSSB), une organisation à but non lucratif du Royaume-Uni, finance le projet dans le but de produire un produit commercialement viable.
Des essais de fabrication approfondis ont été menés et un certain nombre de panneaux de test ont été réalisés en utilisant des préimprégnés issus du pressage sous pression, de la stratification humide conventionnelle, de la perfusion et de l'autoclave.La production des bogies étant limitée, l'entreprise a choisi un préimprégné époxy durci en autoclave comme méthode de construction la plus rentable.
Le prototype de bogie grandeur nature mesure 8,8 pieds de long, 6,7 pieds de large et 2,8 pieds de haut.Il est fabriqué à partir d'une combinaison de fibre de carbone recyclée (tampons non tissés fournis par ELG) et de tissu en fibre de carbone brute.Les fibres unidirectionnelles seront utilisées comme élément de résistance principal et seront placées dans le moule à l’aide d’une technologie robotique.Un époxy avec de bonnes propriétés mécaniques sera sélectionné, qui sera un époxy ignifuge nouvellement formulé et certifié EN45545-2 pour une utilisation sur les chemins de fer.
Contrairement aux bogies en acier, qui sont soudés à partir des poutres de direction sur deux poutres latérales, les bogies composites seront construits avec des hauts et des bas différents qui seront ensuite assemblés.Pour remplacer les bogies métalliques existants, la version composite devra regrouper les supports de liaison de suspension et de freinage et autres accessoires dans la même position."Pour l'instant, nous avons choisi de conserver les raccords en acier, mais pour d'autres projets, il pourrait être intéressant de remplacer les raccords en acier par des raccords de type composite afin de pouvoir réduire encore davantage le poids final", précise Seurat.
Un membre du consortium du Sensors and Composites Group de l'Université de Birmingham supervise le développement du capteur, qui sera intégré au bogie composite au stade de la fabrication."La plupart des capteurs se concentreront sur la surveillance des contraintes à des points discrets du bogie, tandis que d'autres seront destinés à la détection de la température", a expliqué Seurat.Les capteurs permettront une surveillance en temps réel de la structure composite, permettant ainsi de collecter des données sur les charges sur toute la durée de vie.Cela fournira des informations précieuses sur la charge maximale et la fatigue à long terme.
Des études préliminaires indiquent que les bogies composites devraient pouvoir atteindre la réduction de poids souhaitée de 50 %.L’équipe du projet espère disposer d’un grand bogie prêt à être testé d’ici mi-2019.Si le prototype fonctionne comme prévu, ils produiront davantage de bogies pour tester les tramways fabriqués par Alstom, la société de transport ferroviaire.
Selon Seurat, même s'il reste encore beaucoup de travail à faire, les premières indications suggèrent qu'il est possible de construire un bogie composite commercialement viable, capable de rivaliser avec les bogies métalliques en termes de coût et de résistance."Ensuite, je pense qu'il existe de nombreuses options et applications potentielles pour les composites dans l'industrie ferroviaire", a-t-elle ajouté.(Article réimprimé de Carbon Fiber and Its Composite Technology par le Dr Qian Xin).
Heure de publication : 07 mars 2023