Les moteurs en plastique pourraient aider les voitures à s'alléger

Jul 25, 2023

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Par Don Sherman

LORSQUE l'avion de ligne Boeing 787 entrera en service commercial l'année prochaine, les voyageurs seront transportés sur des ailes et des fuselages en plastique composite de pointe.

Cela soulève une question logique : si les plastiques modernes sont suffisamment robustes pour des avions à 600 milles à l'heure, pourquoi les moteurs de voiture sont-ils encore fabriqués en versant du métal en fusion dans des moules, un processus vieux de 6 000 ans ?

Cette iniquité irrite particulièrement Matti Holtzberg, un ingénieur du New Jersey qui a passé 30 ans à essayer d'envoyer des moteurs en fer et en aluminium sur le chemin du mammouth laineux. Les moteurs en plastique qu'il a conçus et construits dans les années 1980 se sont avérés suffisamment résistants pour courir dans les sports mécaniques professionnels.

Mais M. Holtzberg n'a pas réussi à convaincre les constructeurs automobiles que les avantages - des économies importantes de poids et de coûts - valaient le risque. Ainsi, comme la batterie longue durée et la pile à combustible à hydrogène prête pour l'allée, les moteurs en plastique restent juste au-delà de la concrétisation.

Ce qui fait avancer M. Holtzberg, c'est l'allié occasionnel qu'il convertit à sa façon de penser. Il a récemment formé un partenariat stratégique avec la Huntsman Corporation de Houston, une entreprise chimique mondiale avec 12 000 employés et des revenus annuels de 10 milliards de dollars. Les antécédents éprouvés de Huntsman en tant que fournisseur de l'industrie automobile peuvent apporter le poids nécessaire pour déplacer les moteurs en plastique hors du laboratoire et sur les terrains d'essai où les ingénieurs automobiles recherchent des moyens d'atteindre la prochaine série d'objectifs d'économie de carburant.

M. Holtzberg n'est pas le premier pionnier à être frustré dans sa tentative de généraliser les plastiques. Henry Ford a été l'un des premiers champions des plastiques, mettant en service des projets pour explorer des matériaux alternatifs pour les carrosseries de voitures à une époque où l'acier était rare en raison de l'accumulation militaire pour la Seconde Guerre mondiale. Et il a pris l'initiative de promouvoir le concept : en 1941, il a frappé sa voiture personnelle avec une hache pour démontrer la solidité d'un couvercle de coffre en plastique expérimental.

Pendant des années, les voitures Ford ont été équipées de boutons de klaxon en plastique, de pommeaux de levier de vitesses, de poignées de porte et d'engrenages de distribution moulés à partir de tourteau de soja. Ford a été attiré par le plastique pour ses économies de coûts et de poids ainsi que sa résistance à la corrosion.

Six ans après la mort d'Henry Ford, son rêve s'est enfin réalisé. La première des plus de 1,5 million de Chevrolet Corvette équipées de panneaux de carrosserie en fibre de verre a commencé à sortir des chaînes de montage de General Motors en 1953.

Depuis lors, les voitures ont bénéficié d'une teneur en plastique en constante augmentation. Le véhicule typique fabriqué en Amérique du Nord contient maintenant plus de 300 livres de ce matériau, selon le département de l'énergie, ce qui en fait le deuxième type de matériau en importance derrière l'acier. Mais les principaux composants structurels du groupe motopropulseur - blocs moteurs et culasses, carters de transmission et carters d'essieux - continuent d'être des pièces moulées en fer ou en aluminium en raison de la chaleur et des contraintes qu'ils doivent endurer.

Les efforts de M. Holtzberg pour changer cela remontent au moins à 1969. En lisant un article de magazine à la bibliothèque publique de Hackensack, NJ, il a entendu parler d'un nouveau plastique censé être suffisamment résistant pour résister aux conditions difficiles à l'intérieur des moteurs. Il a obtenu un échantillon, en a fait un piston et l'a installé dans le moteur de l'Austin Mini d'un ami.

Le piston en plastique a duré 20 minutes.

M. Holtzberg a continué. Au cours des années 1970, il fabriquait et vendait des pistons en plastique - maintenant avec des couronnes en aluminium pour résister aux températures de combustion - et des bielles en plastique pour les moteurs de course. En 1979, il a fondé Polimotor (le nom est un raccourci pour moteur polymère) pour développer des moteurs à forte intensité de plastique.

Le premier Polimotor, un clone du Ford Pinto 2,3 litres 4 cylindres, utilisait du plastique pour le bloc, les jupes de piston, les bielles, le carter d'huile et la majeure partie de la culasse. Les surfaces d'alésage, les têtes de piston et les chemises de chambre de combustion étaient en fer ou en aluminium. Le vilebrequin et l'arbre à cames étaient des composants métalliques standard.

Peu de temps après que le premier moteur de M. Holtzberg ait fonctionné avec succès, un article dans Automotive Industries, un magazine spécialisé, a demandé : "Qu'est-ce qu'un moteur en plastique ?" Deux ans plus tard, Popular Science a présenté un Polimotor sur sa couverture. À ce moment-là, M. Holtzberg avait progressé vers une conception de 300 chevaux de deuxième génération pesant 152 livres; un moteur Pinto d'origine produisait 88 chevaux et pesait 415 livres.

Pour prouver que son groupe motopropulseur en plastique était durable, M. Holtzberg a fait campagne pour une voiture de course Lola dans la série Camel Lights de l'International Motor Sports Association. Amoco Chemical a fourni un soutien financier pour promouvoir sa résine plastique Torlon. La seule mésaventure lors d'une demi-douzaine de courses de 1984 et 1985 a été la défaillance d'une bielle, une pièce achetée à un fournisseur extérieur.

Malgré ses succès, M. Holtzberg n'attira guère l'attention. "Ford était techniquement intéressé", se souvient-il. "L'article de Popular Science leur a donné beaucoup de publicité gratuite, mais ils n'ont en fait rien contribué au projet Polimotor."

M. Holtzberg a persévéré avec des plastiques mieux adaptés à la production de masse. En 1986, il s'est tourné vers la résine phénolique, le même matériau utilisé par Henry Ford pour lier les fibres de soja dans sa carrosserie expérimentale. M. Holtzberg détient toujours des brevets couvrant les formulations de polymères et les techniques de coulée de résine renforcée de fibre de verre dans le type de moules largement utilisés. Il considère sa technologie de moulage composite comme la prochaine étape logique dans l'évolution de l'automobile, du bois, du fer et de l'acier à l'aluminium, au magnésium et aux plastiques avancés. Huntsman fournira la résine époxy et contribuera aux efforts d'ingénierie et de marketing.

M. Holtzberg a déclaré que ses matériaux pouvaient réduire le poids d'un moteur en aluminium de 30 à 35 %, mais ce n'est pas son seul attrait.

"Après 25 ans d'efforts, les grandes fonderies se renseignent enfin sur mon procédé", a-t-il déclaré. "Témoins de la disparition de la fabrication de l'acier et de la fonte aux États-Unis et de la perte d'une part importante de leurs activités au profit de l'Asie et de l'Inde, ils s'intéressent aux procédés de coulée avancés qui peuvent réduire à la fois les coûts des matériaux et d'usinage."

Dix-sept titulaires de licence utilisent l'approche de M. Holtzberg pour fabriquer des composants de prototypage rapide. Ed Graham, responsable de l'ingénierie chez ProtoCam à Northampton, en Pennsylvanie, a déclaré que son entreprise avait utilisé la technologie de M. Holtzberg pour fabriquer des pièces de moteur pendant trois ans. "Le matériau phénolique thermodurcissable est solide et a une excellente résistance à la chaleur", a-t-il déclaré. "Le processus est rapide et les pièces vont directement dans les moteurs et les transmissions expérimentaux."

James Huntsman, vice-président de la division des matériaux avancés chez Huntsman Corporation, espère que le succès obtenu dans les prototypes de pièces en composite plastique stimulera l'intérêt pour les applications de production à faible volume. "Nous sommes conscients que supplanter des processus éprouvés est un défi long et difficile", a-t-il déclaré. "Nous sommes convaincus que le moment est venu pour un moteur composite."

Bien sûr, il y a des sceptiques.

"Alors que la moitié des roues de voitures en aluminium proviennent désormais de Chine, les fonderies fournissant les principaux moulages de groupes motopropulseurs en aluminium sont captives", a déclaré Richard A. Schultz, consultant chez Ducker Worldwide, en utilisant le terme de l'industrie pour les opérations détenues par les constructeurs automobiles. "La consommation d'énergie n'est pas un problème, leurs déchets d'aluminium sont facilement recyclés et le temps de cycle avec le plastique serait sûrement plus long."

Jay Baron, président et chef de la direction du Center for Automotive Research d'Ann Arbor, dans le Michigan, a souligné que l'industrie automobile est résolument averse au risque. "Ils ne sont pas sur le point de fabriquer des milliers de véhicules avec des moteurs qui pourraient tomber en panne en service", a-t-il déclaré. "Étant donné que les moulages de moteurs en plastique ne font pas partie des activités principales de tout constructeur automobile, tous les problèmes de coût, de traitement et de durabilité devraient être résolus dans la base d'approvisionnement."

Avant que la combustion interne ne soit définitivement supplantée par la propulsion électrique, il reste encore du temps pour quelques percées technologiques. M. Holtzberg et ses partenaires Huntsman parient que les moteurs en plastique composite font la différence.

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