Les tôles sandwich

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Description détaillée

Les tôles sandwich sont composées de deux feuilles de métal ou de matériau composite et d'un film en matière plastique (polymère) intercalé. Ce type de montage offre de nombreux avantages, notamment, une faible densité, une résistance à la flexion élevée, l'isolation phonique et vibratoire, l'absorption d'énergie, une grande capacité de charge à un faible poids.

Elles sont utilisées sur le plancher des véhicules, les capots, les pavillons et certaines pièces mécaniques comme les cache-culbuteurs ou les carters d'huile pour réduire la transmission de bruit dans l'habitacle.
Les structures composites sous forme de sandwich trouvent des applications dans de nombreux secteurs industriels (construction, transport, automobile, ...).
Le panneau sandwich est l'élément de base des véhicules nécessitant une isolation thermique, les camping-cars ou les cellules des camions frigorifiques.

En plus de leur très bonne rigidité intrinsèque, de nombreuses autres fonctions peuvent être remplies par ces structures sandwich, notamment :

• L'allègement ;
• L'isolation thermique, électrique et acoustique ;
• L'amortissement ;
• La tenue aux chocs (résistance à l'impact) ;
• La sécurité incendie (âme autre que polymère) ;
• L'esthétique...

L'inconvénient, c'est que ce type de tôle est impossible à souder en raison de la feuille plastique qui pendrait feu.

Au-delà de l'amélioration des propriétés mécaniques, thermiques ou acoustiques des panneaux sandwich, leur aptitude à la fabrication industrielle à grande échelle est indispensable pour satisfaire aux contraintes de coût. Suivant les applications visées, des exigences de mise en forme et d'assemblage peuvent également être demandées.
 
Les matériaux sandwich sont utilisés avec un noyau homogène de mousse, ou non homogène, constitué d'un autre matériau dur. Ils sont constitués de différentes couches, et généralement avec :

• Deux faces souvent rigides, appelées parements ou peaux ;
• Une âme centrale au milieu et, quelquefois, une couche de liaison lorsque le panneau est collé. La colle est déposée sur le substrat ou sur les deux faces de l'âme organique.

Forte de ces avantages, la tôle sandwich a fait petit à petit son trou dans l'industrie automobile.
Certains des composants, tels que le logement de roue de secours et le capot moteur, sont fabriqués en tôle d'acier sandwich. Ces composants peuvent être jusqu'à 50% plus léger avec les mêmes propriétés de géométrie et de fonctionnalité que l'acier normal à emboutissage profond. Le matériau est constitué de deux tôles d'acier minces qui sont liées à une couche de matériau en polymère.

Depuis de nombreuses années, l'âme des matériaux sandwich n'a cessé d'être l'objet d'évolution et d'innovation, aussi bien au niveau de sa structure que sur les formes. La construction sandwich dispose à l'heure actuelle d'une formidable diversité d'âmes :

• Âmes pleines (matériaux massifs ou cellulaires, moussés);
• Films tissés ou non tissés;
• Âmes en forme de grillages;
• Âmes ondulées ou gaufrées;
• Âmes nid d'abeille à section circulaire, hexagonale, carrée...

Pour les peaux, l'acier est devenu moins favorable dans des domaines qu'il dominait auparavant. Dans l'industrie automobile, des matériaux légers tels que l'aluminium et des alliages à base de magnésium ainsi que des matériaux synthétiques et des matériaux composites ont acquis un large éventail d'acceptation.
Même les aciers à haute résistance et a fortiori les aciers conventionnels ne peuvent pas compenser l'avantage de ces matériaux pour la construction légère, malgré l'avantage d'un prix inférieur, un meilleur comportement de formage, une résistance plus élevée et une facilité plus grande au recyclage. Une solution avant-gardiste semble possible avec le développement des aciers austénitiques à haute résistance, avec une forte teneur de manganèse. Ces aciers montrent des qualités mécaniques comparables, et en même temps sont plus économiques et permettent en plus une construction légère.

 

Des tôles sandwich d'aluminium / polypropylène / aluminium ont été développés pour une application potentielle de ces matériaux pour les panneaux de carrosserie automobile dans les futures voitures de haute performance avec une réduction de poids significative.
Lors de la déformation à la traction de la tôle sandwich, il a été constaté que la rupture a eu lieu dans la peau d'aluminium, puis dans le noyau de polypropylène et l'interface.

Un assemblage de ce type a été utilisé pour la fabrication du pavillon et du capot d'une Ford Ka. Les chercheurs du Ford Center en Allemagne affirment que le poids de la Ka pourrait tout à fait être réduit de 45 kg, en particulier par l'utilisation de l'aluminium. Pour le pavillon, le gain de poids est de 5,5 kg et pour le capot de 5,3 kg.

Un panneau sandwich avec un nouvel aluminium et un matériau en mousse développé récemment peuvent résoudre le problème d'augmentation massive du poids des véhicules dû à l'ajout des éléments de sécurité et des équipements permettant de respecter les dispositifs réglementaires en matière d'émission de gaz d'échappement.
L'ARPRO, mousse à base de propylène entre deux feuilles minces d'aluminium, est léger et très résistant en raison de sa construction à trois fils. Ce matériau est moins cher que la fibre de carbone et peut être entièrement recyclé.

Une construction en sandwich signifie sans doute le remplacement complet du châssis lors d'une déformation. Il ne sera probablement pas aussi facile à réparer qu'un châssis en acier. La société derrière ce produit, Inrekor, affirme que ce matériau pourrait réduire de 30% le poids d'un véhicule. La solution d'Inrekor est destinée à remplacer les éléments structurels lourds en acier plutôt que des éléments de carrosserie.

Les économies de poids de ce nouveau matériau, les réductions de coût et les combinaisons de caractéristiques nous mènent à une nouvelle race de super car qui pourrait probablement voir le jour.

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Méthodes et pratiques

Les recommandations de réparation en cas de collision exigent le remplacement complet aux endroits prévus par le constructeur. Jusqu'à présent, il n'y a aucune recommandation de sectionnement disponible pour ce type de matériau.

Les méthodes d'assemblage varient selon le matériau et le constructeur, en général, le soudage, le collage et le rivetage sont les plus répandus.

La détérioration d'une tôle sandwich peut intervenir à plusieurs niveaux, mais entraîne systématiquement le remplacement de la pièce endommagée.

Le décollement de l'âme et de la peau

Cette dégradation peu :

• survenir à la suite des imperfections dans le processus de fabrication,
• résulter des charges externes au cours de la vie d'opération, comme l'impact par des objets étrangers,
• ou encore, résulter de l'absorption d'eau des âmes cellulaires ou une exposition à une température élevée pendant un temps important.

La rupture de la peau ou de l'âme

 

Cette dégradation se produit :

• Si les contraintes dans les peaux excèdent les contraintes admissibles pour le matériau constituant les peaux, il y aura une rupture de la peau en traction ou en compression.
• Sous charge en flexion, l'âme est seulement sujette à des contraintes de cisaillement. Si les contraintes de cisaillement dépassent la résistance au cisaillement de l'âme, il y aura rupture de l'âme.

Le poinçonnage et le flambage

 

Ce type de dégradation est visible après un impact ou lors d'un choc.

 

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Impact sur les compétences en atelier

• Connaître l'outil informatique pour la lecture de documentation.
• Connaître les matériaux sandwich (fabrication, comportement aux chocs, réparabilité,…).
• Savoir mettre en œuvre les techniques de réparation et de peinture des tôles sandwich.
• Savoir mettre en œuvre les techniques de collage et de rivetage.
• Savoir remplacer un élément amovible.
• Savoir remplacer un élément inamovible.

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Exemple d’outillage approprié

Type de rivet pour la fixation de tôle sandwich avec âme nid d'abeille.