La fibre de carbone pour voiture : matériau high-tech

5 min de lecture
PRFC, cuisson, matériau composite : le thème de la fibre de carbone pour voiture regorge de termes techniques. Nous vous les expliquons, de même que ce qu’est le carbone, comment il est fabriqué et quels avantages ce matériau high-tech offre.

Le 18 décembre 2020

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Dans la construction automobile, la fibre de carbone est l’un des matériaux qui va prendre le plus d’importance dans le futur. Les designers l’aiment dans toutes ses variantes, pour l’habitacle comme pour les pièces de carrosserie : carbone pur, composite à base de fibre de carbone, film carbone. Ce matériau sombre présente un aspect à la fois raffiné et sportif. La résistance de la fibre de carbone et sa rigidité séduisent au moins autant les ingénieurs. Des caractéristiques qui s’accompagnent en outre d’un poids spécifique réduit. Toutefois, le procédé de fabrication de la fibre de carbone est coûteux. Beau et précieux, voilà pourquoi le carbone pour voiture se distingue comme étant l’or noir parmi les matériaux high-tech. Nous vous disons tout sur lui dans notre article.

3 infos rapides sur le carbone

  1. Le carbone est léger et ne se déforme pas.
  2. Le carbone séduit par son aspect unique.
  3. Le carbone est majoritairement fabriqué à la main.

Le carbone, qu’est-ce que c’est ?

Lorsqu’il est question de fibre de carbone pour automobile, il s’agit la plupart du temps de polymère renforcé de fibres de carbone, abrégé PRFC. Il fait partie des matériaux composites qui visent à combiner les propriétés intéressantes de chaque composant. Dans la suite de l’article, nous parlerons de fibre de carbone pour plus de clarté.

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Impression de vitesse dès le premier coup d’œil grâce à la fibre de carbone : la BMW M3 Competition Berline équipée de BMW M Performance Parts.
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À l’avant, une grille de calandre en fibre de carbone fend l’air.
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Les rétroviseurs extérieurs aussi ont droit à la fibre de carbone.
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Cela continue avec l’intérieur sport avec inserts en fibre de carbone Noir Gold.
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Un aileron en fibre de carbone complète la poupe, au-dessus du coffre …
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… tandis que les embouts d’échappement sont intégrés dans un diffuseur en fibre de carbone, offrant une disposition singulière.
Consommation de carburant 10,1 − 10 l/100 km (cycle combiné)
La consommation d'énergie 230-228 kWh/100 km (cycle combiné)

Comment et à quel niveau la fibre de carbone pour voiture est-elle utilisée ?

Vous le devinez sûrement : pour des pièces qui doivent être légères ET stables, et qui peuvent être utilisées dans l’industrie automobile. De même, la fibre de carbone est utilisée dans l’aérospatiale (➜ Lisez également : Bête noire : Vantablack chez BMW), dans l’industrie aéronautique et la construction navale, ainsi que dans la fabrication de vélos. Dans le secteur automobile, comme de nombreux autres matériaux, la fibre de carbone est passée par la compétition avant d’arriver dans la production en série. Il faut dire que dans le sport automobile, chaque gramme compte et une construction légère est la base du développement d’une voiture de course.

Chez BMW, ce matériau est par exemple utilisé sur les modèles BMW M (➜ Lisez également : L'histoire du logo BMW M et de ses couleurs) et comme recouvrement carbone pour voiture avec les BMW M Performance Parts. C’est ce genre de pièces d’habillage carbone pour voiture que nous allons essentiellement évoquer dans cet article. En outre, ce matériau est utilisé pour des éléments de carrosserie des BMW Série 7, sur la BMW i8 (➜ Lisez également : Classique du futur) et encore plus sur la BMW i3. Les modèles électriques (➜ Lisez également : Faits avérés sur la voiture électrique dans le monde) disposent même d’un châssis en carbone complet.

La BMW iX bénéficie également de l’expérience de BMW dans ce domaine, même si l’achat de la fibre de carbone elle-même se fait auprès d’une usine de Moses Lake, aux États-Unis. Le polymère renforcé de fibres de carbone est produit en Allemagne, dans les ateliers de fabrication de BMW à Leipzig et Landshut. Quant à la structure de base, aussi appelée fibre semi-finie ou « stacks », elle vient de Wackersdorf, en Allemagne.

Les composants de recouvrement carbone pour voiture ont une structure tissée caractéristique de ce matériau, qui lui confère un aspect fascinant. Avec les BMW M Performance Parts, les fans de carbone sont à la fête. En effet, les possibilités de personnalisation offertes grâce aux éléments d’habillage carbone pour voiture sont immenses : du capot moteur aux éléments de design, intérieurs comme extérieurs, en passant par le diffuseur, BMW propose une utilisation du carbone très variée, en fonction des souhaits du client.

Comment la fibre de carbone est-elle fabriquée ?

La fibre de carbone pour voiture est donc un matériau composite utilisé par l’industrie automobile : pour des éléments, comme les BMW M Performance Parts, ou pour la carrosserie carbone d’une voiture. La composition de la fibre de carbone est la suivante : des fibres de carbone et une structure support en plastique thermodurcissable, qu’on appelle la matrice. Cette dernière peut être faite de différents matériaux, comme de la résine synthétique. Elle sert à lier les fibres et à remplir les espaces entre elles. Comme la résine synthétique finirait par réticuler à température ambiante, elle est conservée à -18 °C sous forme de bobines. Environ un jour avant de la transformer, elle est réchauffée à température ambiante.

Les fibres de carbone elles-mêmes sont extrêmement fines. Leur diamètre ne mesure souvent qu’un dixième de celui d’un cheveu humain. Leur orientation est capitale pour la stabilité car le carbone n’est extrêmement rigide que dans le sens des fibres. Pour des éléments structurels, l’étape suivante consiste à agréger 50 000 de ces filaments pour obtenir ce qu’on appelle un faisceau de fibres (ou stratifil) et à l’enrouler. Pour les pièces de recouvrement carbone pour voiture, il en faut environ 3 000. Les stratifils permettent ensuite de produire des textiles, avec des orientations de fibres différentes afin d’obtenir une certaine rigidité dans toutes les directions. En les empilant, on obtient des stacks.

Ceux-ci sont mis en forme, puis ils sont « cuits », littéralement. Lors de ce processus qu’est le passage en autoclave, la matrice en plastique thermodurcissable est durcie à 120 °C, sous haute pression et pendant environ deux heures. La résine réticule et donne à la pièce sa forme finale. On obtient ainsi une pièce carbone qui est ajoutée à un élément plus grand si nécessaire (élément de carrosserie). Ensuite, les pièces d’habillage carbone pour voiture sont enduites d’un vernis transparent. La texture de la fibre de carbone, si caractéristique, reste ainsi visible et elle est protégée.

La fabrication de la fibre de carbone est complexe et la production de pièces se fait généralement à la main. Tout cela prend énormément de temps. Ainsi, la fabrication d’une pièce carbone peut prendre une journée entière. Préparation, découpe, durcissement en autoclave, démoulage, détourage, vernissage : tout cela demande beaucoup de temps. Mais cela garantit aussi une qualité et un caractère exclusif de haut niveau.

Quelles sont les propriétés de la fibre de carbone ?

La fibre de carbone présente de nombreuses propriétés intéressantes, qui la distinguent des autres matériaux. L’un de ses avantages est sa grande rigidité, qu’elle tient de la structure extrêmement stable des fibres. Elle peut en outre absorber beaucoup d’énergie lors d’un choc. Placée au bon endroit, la fibre de carbone aide donc à renforcer la sécurité d’une voiture.

Les propriétés mécaniques de la fibre de carbone ne sont pas ses seuls atouts. Elle a également un poids spécifique faible. Les éléments de carrosserie en aluminium, l’un des métaux légers les plus importants, peuvent peser 20 à 30 % de plus que les mêmes éléments en fibre de carbone. L’écart monte à 50 % avec l’acier. Moins de poids, c’est une consommation moindre en carburant ou en électricité (➜ Lisez également : À savoir : les différents types de voitures électriques), ce qui entraîne un meilleur bilan carbone. Dans le sport automobile, cette propriété permet aux bolides d’accroître encore leurs performances. Avec une voiture à châssis carbone par exemple. Dans ce cas, moins de poids signifie plus de vitesse.

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Production de stacks de fibre de carbone chez BMW, à Wackersdorf, sur un véritable métier à tisser géant.
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Un stratifil en fibre de carbone (faisceau de fibres) se compose de milliers de filaments.
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Des collaborateurs du centre d’innovation et de production de l’usine BMW de Landshut portent un cadre latéral de carrosserie de BMW i8 : il se compose de milliers de filaments de fibre de carbone liés.
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Gros plan sur un stack de fibre de carbone, aussi appelé tissu multiaxial.
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Une carrosserie en fibre de carbone de BMW i3 dans l’usine BMW de Leipzig est transportée à l’étape de production suivante.

Dans la longue liste des avantages de ce matériau figurent également la possibilité de donner pratiquement n’importe quelle forme à une pièce en fibre de carbone, sa résistance à la corrosion et la durabilité qui en découle, sa faible dilatation à la chaleur, sa stabilité thermique à long terme et sa résistance aux vibrations. Toutes ces propriétés contrebalancent l’inconvénient d’une production coûteuse, et puis le prix de la fibre de carbone baisse avec la fabrication de grands volumes de pièces et grâce aux innovations constantes.

En résumé : la mise en œuvre de la fibre de carbone est la seule qui permette de tels gains de poids tout en offrant ces propriétés mécaniques. Et à tout cela s’ajoute l’aspect unique des éléments de recouvrement carbone pour voiture, comme les BMW M Performance Parts.

Fotos : BMW ; Autor : Nils Arnold ; Illustrationen : Cyprian Lothringer

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