Lexus LFA : PACK LFA Nürburgring et les nouvelles méthodes de production du plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP)

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La LFA, supercar signée Lexus, animée par un V10 de 560 ch qui la propulse à 325 km/h est entrée en production en décembre 2010 dans des installations spécifiques au sein de l’usine TMC de Motomachi, à Aichi, au Japon.

Lexus LFA - Pack Nürburgring - 2011

La production totale sera limitée à 500 exemplaires seulement.


PACK LFA NÜRBURGRING

 

Pour fêter le troisième engagement de la LFA couronné d’une victoire de classe aux 24 Heures du Nürburgring 2010, Lexus a créé le pack Nürburgring pour les clients qui souhaitent une voiture un peu plus orientée circuit.

Limité à 50 exemplaires, le pack Nürburgring sera disponible au cours de la seconde année de production de la LFA, en 2012.

Avec le pack Nürburgring qui intègre des évolutions au niveau de plusieurs composants clés en CFRP, la LFA dope ses performances sur circuit. L’adoption d’une large lame à l’avant, de déflecteurs latéraux, d’une queue de canard et d’un aileron arrière fixe autorise davantage d’appui aérodynamique à vitesse élevée.

 

Lexus LFA - Pack Nürburgring - 2011

Avec une puissance maximale en hausse de 10 ch et qui passe les 570 ch, la LFA continue de franchir le 0 – 100 km en 3,7 secondes pour atteindre une vitesse de pointe de 325 km/h, malgré la traînée accrue due à l’appui supplémentaire. Le temps de passage des rapports, quant à lui, passe à 0,15 seconde.

Côté comportement dynamique, la LFA équipée du pack Nürburgring, adopte une suspension réglée sport, une hauteur de caisse abaissée de 10 mm, des jantes exclusives à croisillons et des pneumatiques haute adhérence. Disponible uniquement en Noir mat, Noir, Blanc ou Orange avec le pack Nürburgring, la LFA lui associe trois harmonies intérieures, noir et rouge, noir et violet ou noir uni.Toutes les versions reçoivent une console centrale et un habillage de portes en fibre de carbone. Les sièges, également en fibre de carbone, sont revêtus d’alcantara*

Les clients qui choisissent le pack Nürburgring se verront offrir une formation individuelle sur la Nordschleife, dispensée par l’un des formateurs en chef du Nürburgring ainsi qu’un pass d’une validité d’un an permettant de rouler sur la boucle nord.

 

* Les sièges baquet et l’habillage des portes en CFRP sont uniquement disponibles en Europe



FABRICATION DES PIÈCES EN PLASTIQUE RENFORCÉ DE FIBRES DE CARBONE (CFRP)

 

Avec 175 employés travaillant à la fabrication des pièces en CFRP, à l’assemblage et à la peinture, la supersportive LFA est produite au rythme d’un seul exemplaire par jour.

Alliant la robustesse et la rigidité à des gains de poids significatifs, le CFRP représente 65 % de la caisse de la LFA, soit une réduction d’environ 100 kg par rapport à une structure en aluminium.

 

Lexus LFA - Pack Nürburgring - 2011

Dans l’optique de futurs développements, Lexus a décidé de réaliser en interne la production et l’assemblage des éléments en CFRP. Comparé à l’acier ou l’aluminium, le CFRP est issu d’un processus de production plus long et le projet LFA a constitué un important cadre de recherche et de développement de nouveaux procédés automatiques de production des fibres de carbone qui seront utilisés pour la fabrication de futurs modèles Toyota et Lexus.

Selon la forme, la fonction et les caractéristiques requises pour chaque composant, l’un des trois procédés suivants de fabrication du CFRP est employé :

  • « Prépreg » : technique standard de l’industrie, il s’agit d’une feuille de matériau composite en fibres de carbone imprégnée de résine thermodurcissable
  • Moulage par transfert de résine (RTM) : injection de résine thermodurcissable sur fibres de carbone sèches préformées
  • Fibres de carbone – Moulage par compression (C-SMC)

Les ingénieurs Lexus se sont fixé deux objectifs principaux pour chacun de ces trois

procédés : développer de nouveaux procédés de production pour augmenter la productivité et mettre au point une nouvelle technologie pour le contrôle qualité.


PROCÉDÉ « PRÉPREG »

Les fibres préimprégnées sont utilisées pour les principaux éléments de la structure tels que la planche de bord, les longerons, les traverses de cadre de châssis et les panneaux de caisse.

Pour la LFA, Lexus a développé un tissu préimprégné (Prepreg) non crêpé (Non Crimp Fabric – NFC) biaxial qui remplace le matériau tissé conventionnel. Il permet d’améliorer la résistance et facilite la désaération pressurisée du matériau dans le moule.

Grâce à une désaération nettement plus efficace, il est désormais possible d’utiliser des faisceaux plus larges de 24.000 fibres qui permettent de produire des feuilles plus épaisses ayant une densité de surface de 450 g/m², soit deux fois plus élevée que celle d’un tissu tissé conventionnel. Cette optimisation autorise la réduction du nombre de couches de feuilles préimprégnées au bénéfice de la productivité.



MOULAGE PAR TRANSFERT DE RÉSINE (RTM)

Le moulage par transfert de résine RTM est surtout utilisé pour les éléments secondaires du cadre comme les structures déformables (« crash boxes »), les brancards de pavillon et le plancher du véhicule.

Le procédé RTM autorise une fabrication plus rapide que la préimprégnation mais le temps de remplissage de la résine est tellement long pour la production de grandscomposants intégrés qu’il doit souvent être réalisé à partir d’éléments indépendants, de plus petite taille.

 

Lexus LFA - Pack Nürburgring - 2011

Pour remédier à cet inconvénient, Lexus a développé une nouvelle méthode d’injection et de compression qui permet non seulement de réduire le temps de remplissage de la résine de quelque 80 % mais qui autorise également laproduction des grands composants en une seule pièce. Cela permet de réduire nettement le nombre des étapes ultérieures et celui des opérations de collage au bénéfice de la productivité.

Auparavant, les machines à tisser conventionnelles étaient uniquement employées pour fabriquer des formes en CFRP d’une géométrie simple et élémentaire. Les technologies de tissage mises au point par Lexus permettent désormais la production automatisée de profilés tridimensionnels complexes d’épaisseur et de section variables ou galbés.

Pour les brancards de pavillon de la LFA, par exemple, les fibres sont tissées autour d’un matériau d’âme par la dépose simultanée de deux couches. Le tissage de 12 couches est nécessaire pour obtenir l’épaisseur nécessaire. Une fois le tissage terminé, on retire le matériau d’âme pour obtenir un brancard creux.

La production des « crash boxes » avant exige une technique différente ; une machine positionne les fibres sur un tissu support, puis une machine à coudre 3D insère d’autres fibres dans l’épaisseur du support. Les opérations d’affleurage et de cintrage donnent ensuite au tissu sa forme définitive.

La technologie de tissage tridimensionnelle permet de réduire le volume de matériau utilisé de 50 % tout en augmentant la résistance de l’élément. Mais elle permet aussi, grâce à l’automatisation, une productivité accrue, absolument nécessaire pour le passage à la production de grande série.Un nouveau procédé de fabrication en deux temps contribue également à l’amélioration de la productivité. Une pression de 1.000 tonnes est appliquée sur la feuille, pendant une heure, suivie par une polymérisation à 185° pendant quatre heures. La possibilité de retirer la feuille du moule avant la cuisson supprime un goulot d’étranglement potentiel au niveau de la presse 1.000 tonnes. Ce procédé a fait l’objet d’une mise au point spécifique en vue de son utilisation pour de futures productions.

FIBRES DE CARBONE – MOULAGE PAR COMPRESSION (C-SMC)

Le procédé de moulage par compression C-SMC est employé pour la fabrication des éléments de la partie haute de la caisse et les structures de forme complexe. À la différence de la préimprégnation ou du RTM qui recourent à des fils continus de fibres de carbone tissées, le C-SMC incorpore des fibres dont la dispersion est uniforme et l’orientation aléatoire. Le procédé ne nécessite aucun moulage préalable et autorise donc une plus grande productivité, avec des cycles et des temps de main d’œuvre d’au moins 95 % inférieurs à ceux de la préimprégnation.


TECHNOLOGIE DU CONTRÔLE QUALITÉ DU COLLAGE

La ligne de montage comporte cinq procédés consécutifs ayant tous été numériquement validés. Le collage est utilisé pour les quatre premières étapes, à savoir le sous-ensemble, le soubassement, les petites pièces en aluminium et la caisse principale. Le montage final des pièces en aluminium se fait par fixation mécanique.Lexus emploie pour la première fois le collage pour l’assemblage de la caisse, ce qui a exigé la mise au point de nouvelles technologies de contrôle qualité. Le collage se déroule en cinq étapes, le prétraitement, l’application de l’adhésif, l’assemblage, le durcissement et l’inspection ; pour chacune d’entre elles, Lexus a défini une technologie de contrôle de la qualité.

 

Lexus LFA - Pack Nürburgring - 2011

Le prétraitement du CFRP implique une abrasion superficielle à l’aide d’un jet d’eau contenant des particules d’alumine pour éliminer les résidus de l’agent de démoulage et obtenir la rugosité de surface optimale pour le collage. Les contrôles qualité comprennent la mesure de la profondeur d’abrasion et de la rugosité superficielle par un profilomètre, complétée par une inspection visuelle à 100 % de la mouillabilité de toutes les pièces.

La précision de l’application automatisée de l’adhésif est garantie par l’optimisation de la géométrie de la buse, du positionnement, de l’angle et de la vitesse. Après l’application, un laser permet de contrôler à 100 % l’épaisseur de l’adhésif. La précision du jeu de collage est absolument cruciale pendant l’assemblage et le durcissement. Au début de chaque opération, tous les composants sont assemblés sans adhésif dans un gabarit pour vérifier les jeux. Le durcissement de l’adhésif est confirmé par un essai de cisaillement simple et les pièces testées sont traitées avec la caisse en blanc pour assurer des conditions de durcissement similaires.

La thermographie flash est ensuite utilisée pour vérifier la qualité des joints collés. La surface de la caisse est d’abord chauffée par une lampe flash ce qui permet à une caméra infrarouge d’en capter l’image thermique. Tout défaut peut être immédiatement repéré à l’écran où l’adhésif apparaît en jaune. Les contrôles par ultrasons complètent la vérification de la qualité du collage.

L’inspection finale du collage repose sur une vérification à 100 % de la rigidité de la caisse.

Un dernier test utilisant des poids de 100 kg et une mesure en micromètre vérifie que le déplacement de la partie droite et gauche de la caisse reste dans les tolérances avant d’autoriser l’envoi à la chaîne d’assemblage final.

 

PEINTURE ET ASSEMBLAGE

 

Comptant environ 15.000 pièces différentes, contre 12.000 en moyenne pour les autres modèles Lexus, la LFA est assemblée à la main, dans une installation dédiée. La production portant sur de faibles volumes, tous les éléments de la caisse sont placés sur des chariots spéciaux pendant l’opération de peinture, pour garantir la cohérence de la couleur. Le procédé est en grande partie automatisé mais les pièces de forme plus complexe sont peintes à la main. La cuisson haute température étant impossible avec les matériaux en CFRP, la chimie de la peinture a été adaptée pour permettre la cuisson à des températures inférieures sans aucun compromis sur la qualité exceptionnelle de peinture caractéristique des Lexus.

Au cours de l’assemblage, tous les sous-systèmes sont disposés dans des bacs, à gauche de la chaîne de montage, gérés par une équipe en charge de la logistique des pièces. Chaque opérateur de la ligne de montage y prélève ses pièces selon la liste qui lui est remise pour chaque véhicule.

Chaque opérateur effectue plus de 100 opérations par jour en suivant une liste de vérification pour garantir le respect des normes qualité face à l’extrême diversité des tâches exécutées. Il crée et perfectionne lui-même cette liste de pointage selon les principes des maîtres artisans Takumi. En outre, chaque procédé d’assemblage est minuté pour suivre le journal de production de la journée. Les sous-ensembles du moteur et de la transmission sont préparés sur une chaîne auxiliaire et mis en place au moment voulu par le dessous de la caisse.

Après la dernière opération de montage, le réglage de la géométrie et une vérification générale, le véhicule est envoyé à la division. Qualité pour une inspection et une évaluation complètes. Avant de pouvoir sortir de l’usine, chaque véhicule accomplit un essai routier de 200 km sur la piste de Motomachi, située sur le site de production. La fabrication de chaque véhicule donne lieu à une documentation complète qui comprend plus de 300 pages pour le seul procédé d’assemblage et 10 fois plus pour celui de fabrication du CFRP. Il faut en définitive plus de 3.500 pages pour suivre et documenter l’ensemble de la fabrication de chaque véhicule. Lexus conserve ces documents qui servent de référence pour toute demande d’informations ultérieure concernant un véhicule donné.

 

Lexus LFA - Pack Nürburgring - 2011

 

Spécifications techniques

 

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