Lorsque Mukesh Jain, Ph.D., décrit l’état de la science des matériaux dans l’industrie de l’automobile, on croyait parfois entendre la description d’une course de chevaux.

« L’acier contre-attaque. L’aluminium fait une percée. Le magnésium commence à se démarquer. »
À bien des égards, une course de chevaux est une illustration assez représentative. Alors que les constructeurs automobiles font l’essai de différents matériaux pour alléger leurs produits et ainsi améliorer leur rendement énergétique, le favori traditionnel – le métal – tente de conserver le premier rang que veulent lui ravir des plastiques et composites prometteurs.

Depuis des années, les matériaux à base de polymères ont commencé à remplacer le métal dans les automobiles. On les retrouve d’abord dans les composantes intérieures telles que les tableaux de bord et les revêtements intérieurs des portières puis, plus récemment, dans les pare-chocs et les panneaux de carrosserie extérieurs. La principale raison de cette grande utilisation est le double avantage des polymères par rapport au métal : ils sont plus légers et plus faciles à modeler.

Les concurrents de cette course entrent dans le dernier droit, mais il est impossible pour le moment de prédire le nom du vainqueur. Pour demeurer compétitifs, les fabricants d’acier font l’essai de nouveaux alliages plus légers. Les fabricants d’aluminium – qui veulent continuer de profiter de l’avantage de leur produit par rapport à l’acier au chapitre du poids – cherchent de nouvelles façons de préparer et de modeler leur produit. Il faut également tenir compte du nouveau venu – le magnésium – le plus sérieux aspirant à la couronne de la catégorie des métaux de poids léger. Le métal a également d’autres grands avantages par rapport aux polymères : il est plus résistant et plus facile à recycler.

Les nouveaux alliages ne conviennent toutefois pas toujours aux méthodes existantes de mise en forme des feuilles de métal pour fabriquer les pièces de carrosserie; les techniques élaborées pour les matériaux traditionnels peuvent causer des fissures dans les feuilles de nouveaux alliages. C’est pour cette raison que des scientifiques tels que M. Jain, Ph.D. et chercheur au McMaster Manufacturing Research Institute, cherchent des façons de rendre les nouveaux métaux légers plus formables et à développer de meilleures méthodes de mise en forme.

Avec ses collègues, il a commencé par utiliser des ressources informatiques avancées – fournies en partie par le Fonds ontarien pour l’innovation – pour élaborer des « modèles de matériaux » fondamentaux des nouveaux métaux. En tenant compte des structures moléculaires des alliages, les modèles peuvent être utilisés pour prédire le comportement général en présence des types de forces générées par une presse industrielle. Les modèles permettent également aux chercheurs de mettre à l’essai virtuellement des formulations différentes pour rendre les alliages plus « ductiles » ou formables.

Par la suite, les chercheurs ont utilisé les modèles de matériaux pour élaborer des « modèles d’éléments finis » qui peuvent prédire le comportement d’un alliage lorsqu’on lui donne une forme particulière – une aile par exemple – par un processus d’estampillage donné. Les modèles permettent aux chercheurs de mettre à l’essai de nouvelles approches en matière de conception de matrices et de processus de presse – sans recourir aux techniques traditionnelles d’essais et d’erreurs. « Avant même de fabriquer une seule matrice, explique M. Jain, vous pouvez évaluer dans un environnement virtuel si une pièce donnée peut être fabriquée avec un matériau particulier. Ceci permet de réduire les coûts associés aux outils nécessaires à la fabrication de prototypes. »

Les résultats des simulations ont une valeur évidente pour les producteurs de métaux et les constructeurs de véhicules automobiles. Mais puisque les modèles mathématiques sont parfois erronés, l’Institut de l’Université McMaster dispose de sa propre presse industrielle de 1 500 tonnes – également financée en partie par le Fonds – pour vérifier les résultats de la modélisation. La presse est équipée de nombreux instruments et permet une vaste gamme d’ajustements, ce qui fait d’elle un outil précieux pour évaluer les techniques réelles de mise en forme et en élaborer de nouvelles.

Au bout du compte, y aura-t-il un vainqueur dans la course des matériaux? M. Jain évite de se compromettre. « Les constructeurs d’automobiles adoptent une approche fragmentaire, indique-t-il. Ils envisagent la question pièce par pièce. » Mais pour lui et ses collègues de l’Université McMaster, il ne fait aucun doute que le métal aura encore sa place dans le cercle des vainqueurs au cours des années à venir.

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