Les biomatériaux

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Description détaillée

Dans l'automobile, les matériaux verts utilisés sont essentiellement des fibres naturelles (lin, chanvre…), des matériaux recyclés non métalliques et des biomatériaux (matériaux non issus de la pétrochimie, mais de ressources renouvelables). Leur utilisation permet de réduire celle des plastiques d'origine fossile pour favoriser l'usage des matières premières d'origine renouvelable, d'alléger certaines pièces, de réduire les émissions de C02 de la filière de production des plastiques et de favoriser la filière de recyclage des matières plastiques.
Les matières premières recyclées d'un véhicule en fin de vie sont de plus en plus utilisées et l'éco-conception des voitures prévoit des matériaux recyclables, la réduction du nombre de pièces et des pièces plus faciles à récupérer.
Le secteur des bioproduits peut être segmenté en trois grands sous-secteurs, à savoir l'énergie, la chimie et les biomatériaux.
Le secteur énergie, comprend les bioproduits exploités énergétiquement comme le bioéthanol, le biodiesel, le biogaz et le bio hydrogène. Ces biocarburants sont issus des filières végétales comme la betterave, la canne à sucre et le blé, mais aussi de la filière de valorisation des déchets organiques, source principale du biogaz.

Le secteur de la chimie s'intéresse, quant à lui, aux biomolécules synthétisées à partir de matières premières d'origines végétales transformées comme les esters méthyliques végétaux ou les molécules extraites des différentes agro ressources (colza, tournesol, blé, maïs, betterave et plantes spéciales).
Le secteur des biomatériaux, ou matériaux biosourcés, développe des produits issus de matières naturelles renouvelables comme les céréales (blé, maïs, soja) mais également de matières non alimentaires comme le bois, les algues, les déchets organiques, …
Ils sont principalement utilisés sous forme de :

• Polymères renforcés avec des fibres naturelles jusqu'à 70%, injectés ou transformés (bois, kenaf, lin, chanvre, …).
• Mousses (fibres coco et latex, PUR bio-sourcé).
• Textiles (PPT Polyester, eucalyptus, PLA issu de grains de maïs…).
• Matériaux isolants ou absorbants (coton recyclé…).
• Bioplastiques (100 % biosourcés et recyclables).

L'impact de ces matériaux sur l'environnement n'est cependant pas nul. "Bio" ne signifie pas toujours "bon pour l'environnement".

Avantages :

• Réduction des émissions de gaz à effet de serre avec l'allègement des matériaux de construction automobile.
• Biodégradabilité, c'est le cas de la plupart des biomatériaux.
• Valorisation des déchets organiques (paille, peau de légumes et fruits, etc.).
• Réduction de la dépendance aux ressources pétrolières.

Inconvénients :

• Utilisation des ressources alimentaires (blé, canne à sucre, tournesol, etc.).
• Épuisement des ressources en eau.
• Grignotage possible des pièces par les souris, rats, fouines ou martres, notamment dans le compartiment moteur.
• Prix parfois élevés.

Actuellement, plusieurs biopolymères, potentiellement importants, sont développés. Ils sont fabriqués, principalement, par fermentation des ressources végétales.

Ces biomatériaux servent à diverses applications :

Des appuie-têtes utilisant des polyols végétaux (huile de ricin), mousse de siège, embase de levier de vitesses, tissu à partir de cellulose de bois de frêne, enjoliveur d'aérateur, etc.
Les fibres naturelles ne sont pas utilisées seules. Elles sont transformées ou mélangées à hauteur de 30% maximum à des fibres synthétiques par injection thermoplastique ou par thermocompression.

Ces fibres synthétiques à composante bio peuvent être utilisées de multiples manières par exemple en tant que matériau de renforcement dans les doublures de portières, tableaux de bord, tablettes arrière et revêtements intérieurs de toits des véhicules. Outre une faible densité, ces matériaux sont dotés d'une grande résistance et d'une haute rigidité.

Une voiture comporte de nombreuses pièces plastiques à l'intérieur et à l'extérieur de l'habitacle. Depuis plusieurs années, des études ont été mené visant à fabriquer, avec du granulat de pneus usagés, des pièces automobiles destinées à équiper des véhicules neufs par des laboratoires spécialistes du caoutchouc et de la plasturgie, ainsi que des équipementiers fournisseurs des constructeurs automobiles.
Certains constructeurs misent particulièrement sur la voiture électrique, mais la recherche sur la motorisation n'est pas la seule voie. Les matériaux qui composent les véhicules sont eux aussi en quête d'une absolution environnementale.
Il faut se souvenir qu'une automobile est constituée d'environ 70 % de métaux, 5 % de matériaux divers (dont le verre), 5 % de fluides et 20 % de matières plastiques (polymères). Ces polymères représentent plus de 1000 pièces différentes. C'est en intégrant des matériaux naturels dans leurs plastiques que les équipementiers espèrent réduire leur impact sur l'environnement.
En effet, après utilisation, les automobiles sont broyés avec d'autres produits afin de récupérer les métaux.
Cette opération génère des résidus de broyage, environ 25% du poids initial d'un véhicule et un tiers sont des matières plastiques. Ces résidus de broyage étaient auparavant mis en décharge. Cette solution n'est plus envisageable.
En Europe, une voiture doit être « recyclable » à hauteur de 95% de sa masse depuis 2015. Le recyclage des métaux, acier et aluminium, est chose courante, ce n'est pas le cas de tous les plastiques et composites.

Pour cela, un schéma de traitement des VHU (Véhicules Hors d'Usage) a été établi :

1. Prétraitement : mise en sécurité des véhicules (airbags...), dépollution (batteries, huile, liquide de refroidissement, liquide de freins...).
2. Démontage : sélection des pièces pour réutilisation (par exemple : démarreur) ou pour le recyclage des matériaux (par exemple PP dans les pare-chocs ou PVC pour les revêtements de sièges).
3. Broyage : récupération des métaux ferreux et non ferreux.
4. Traitement des résidus de broyage : valorisation matière des résidus minéraux, valorisation énergétique des matériaux organiques restants (récupération de l'énergie contenue) ou, dans le futur, recyclage chimique.Toutes les matières plastiques des pièces automobiles peuvent être techniquement valorisées de différentes manières. Pour chaque type d'application du plastique dans l'automobile, il y aura donc une solution qui dépendra de la nature de la pièce ou de la typologie de son déchet.

Chaque projet véhicule doit contenir une part croissante de matériaux verts. Mais la démarche concerne aussi les véhicules existants sur lesquels on intègre des matériaux verts au fur et à mesure de leur évolution en vie série. Pour cela, les concepteurs travaillent en étroite collaboration avec les fournisseurs, afin de bien sélectionner ces nouveaux matériaux. Un travail qui permet également de dynamiser la filière des matériaux recyclés.
Le plus gros obstacle à l'essor des biomatériaux c'est l'approvisionnement. Les filières traditionnelles sont maîtrisées, cadrées. Les pétroliers vendent leur matière première à des équipementiers qui eux-mêmes vendent leurs produits aux constructeurs. Avec les matériaux issus de végétaux, tout est nouveau. La matière première provient des champs, elle est produite par l'agriculture, un secteur d'activité qui a très peu travaillé avec l'industrie automobile. Il faut donc tout créer, organiser, structurer, élaborer les business modèles.

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Méthodes et pratiques

Les pièces en biomatériaux sont essentiellement des pièces d'aspect et de finition qui seront remplacés pour des raisons esthétiques lorsqu'elles sont endommagées accidentellement ou par une mauvaise utilisation.
Leur remplacement est une opération souvent complexe. La fragilité des revêtements et la dimension esthétique avec l'absence de vis apparentes modifient la façon d'aborder la réparation et implique l'utilisation quasi obligatoire de la documentation technique.
Malgré tout, la plupart sont réparables soit par soudage, par collage et peuvent être repeintes de la même manière que les autres plastiques.

Méthodologie de soudage

1. Nettoyage
2. Dégraissage
3. Identification du thermoplastique
4. Perçage des extrémités
5. Chanfrein léger
6. Si besoin, enlever peinture
7. Souffler
8. Dégraissage à l'antistatique (dégraissant plastique)
9. Souffler
10. Pointage extérieur et intérieur
11. Si besoin, renforts perpendiculaires à l'intérieur
12. Soudure
13. Thermoformage éventuel

Méthodologie du collage

Préparation mécanique :

1. Nettoyage, dégraissage
2. Analyse du défaut
3. Perçage des extrémités
4. Élargir la cassure (> 5 mm)
5. Chanfrein large et évasé (> 5 cm)
6. Trous-rivets
7. Ponçage extérieur et intérieur (+ grossier)
8. Souffler

Préparation chimique :

1. Dégraissage à l'antistatique (dégraissant plastique)
2. Souffler
3. Appliquer le primaire (attente > 10 min)
4. Toile de renfort
5. Collage
6. Séchage IRT

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Impact sur les compétences en atelier

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Exemple d’outillage approprié

Matériel de soudage plastique