Le surmoulage de textiles lumineux au service des véhicules autonomes

Le secteur automobile est en constante évolution, notamment en ce qui concerne le développement des véhicules autonomes. Pour ces véhicules, plusieurs niveaux d'automatisation existent, en particulier la conduite autonome limitée et l'autonomie complète. Dans le cas des véhicules autonomes limités, le conducteur peut céder le contrôle complet du véhicule au système automatisé uniquement dans des conditions bien précises. En cas de besoin, le système peut demander au conducteur de reprendre le contrôle dans un intervalle de temps court. Pour cela, une interface homme-machine (IHM) doit signaler au conducteur la nécessité de récupérer le pilotage du véhicule. Face à la double exigence de sécurité et d'esthétique propre à l'industrie automobile, de nouvelles solutions d'IHM sont à développer. Dans le cadre du projet Liteva, une nouvelle solution est développée : il s'agit d'une alerte lumineuse pour l'intérieur des véhicules, constituée d'un textile lumineux doté de fibres optiques. L'un des enjeux majeurs du projet réside dans le développement d'une méthode d'intégration de ces textiles dans des pièces plastique à l'aide de procédés de plasturgie compatibles avec les exigences automobiles.

Textiles lumineux : un enjeu pour l'intégration de fonctions

Les textiles lumineux utilisés dans le cadre du projet Liteva sont constitués d'un tissu PET doté de fibres optiques à base de PMMA (polyméthacrylate de méthyle). Ces fibres optiques présentent une résistance thermique (70 °C d'après la fiche technique) et mécanique limitée, ce qui constitue un challenge pour leur intégration dans des pièces plastique d'habitacle parles procédés utilisés en plasturgie. L'enjeu est en effet d'intégrer ces textiles directement dans des pièces plastique afin de faciliter leur assemblage. À ce titre, plusieurs procédés sont envisagés, en particulier le thermoformage et le surmoulage.

Lors de la mise en œuvre de matières thermoplastiques, la température des procédés est variable. Si elle se limite à la température de ramollissement du matériau dans le cas du thermoformage, elle est supérieure à la température de fusion du polymère (variant entre 170 °C pour le PS et le PP, et 390 °C pour le Peek) pour le surmoulage. Par ailleurs, des contraintes mécaniques importantes sont également appliquées : sous forme d'élongation dans le cas du thermoformage et sous forme de pression (jusqu'à plusieurs centaines de bars) pour le surmoulage. Il existe donc un risque majeur de dégradation de la fonctionnalité des fibres optiques avec une exposition à des températures et des contraintes mécaniques élevées lors de la mise en œuvre. De plus, les procédés d'intégration identifiés se doivent de protéger l'extrémité des fibres optiques du textile lumineux. Ceci est en effet nécessaire afin de réaliser la connexion ultérieure des tissus lumineux à la source lumineuse (LED).

La caractérisation des textiles lumineux

Afin de répondre à ces diverses contraintes, des caractérisations en laboratoire sont accomplies pour permettre de sélectionner le meilleur procédé de mise en œuvre pour cette application. En effet, pour assurer la survie des fonctionnalités du tissu lumineux lors de son intégration, il est nécessaire d'évaluer son comportement. Tout d'abord, la résistance à la température seule est mesurée. Il apparaît que la fibre optique perd de la luminance à partir d'une température de 110 °C lors d'une exposition prolongée. Ce résultat nécessite de travailler sur l'architecture du tissu afin d'augmenter sa résistance thermique.

Ensuite, des essais thermomécaniques sont réalisés pour s'approcher au mieux des conditions de mise en œuvre d'un des procédés identifiés, le thermoformage. Pour cela, une campagne d'essais de traction en température sur les tissus « éclairés » est mise en œuvre. Cet essai permet d'observer le comportement du textile à différentes températures, mais également sous sollicitations mécaniques, dans ce cas la traction. L'augmentation de la température d'essai induit une réduction de la force nécessaire à la rupture du tissu lumineux, mais une augmentation de l'allongement à la rupture et une amélioration de l'irradiance (mW/cm²). Le comportement du tissu lumineux est ainsi dépendant de la température et de l'effort mécanique appliqué à celui-ci.

Le tissu lumineux présente une faible résistance à la température (110 °C) par rapport aux procédés de mise en forme des thermoplastiques. Le thermoformage est un procédé qui nécessite une température de transformation moins importante par rapport au procédé de surmoulage, bien que le temps d'exposition du tissu lumineux à la température soit plus long. Il offre également l'avantage d'exercer une pression plus faible, mais il induit des allongements potentiellement élevés selon les géométries recherchées. Une campagne de thermoformage est donc réalisée sur le tissu lumineux afin d'évaluer sa compatibilité. Si la température de mise en forme est respectée, les fibres optiques PMMA sont fortement dégradées, induisant des « fuites de lumière ». Si la température est abaissée pour préserver les fibres optiques, la géométrie n'est que faiblement reproduite sur le tissu. En conséquence, le thermoformage n'apparaît pas comme une solution viable pour l'intégration des tissus lumineux. Le procédé de surmoulage se base sur la technologie d'injection moulage, largement déployée dans le secteur automobile et compatible avec ses cadences de production.

Le surmoulage des tissus à fibres optiques

Il consiste à placer dans l'empreinte du moule l'élément à surmouler (dans notre cas le textile lumineux) et à procéder à l'injection de la matière plastique. Si ce procédé implique des températures élevées et des pressions importantes, les temps d'exposition restent très brefs comparativement au thermoformage. Les campagnes de surmoulage mettent rapidement en évidence la survie du complexe lumineux dans certaines configurations. Lors de ces essais, différentes matières thermoplastiques sont mises en œuvre, impliquant des températures de transformation s'étendant de 200 °C à 255 °C : PP (polypropylène), Surlyn (copolymère acide éthylène), SAN (styrène-acrylonitrile) et PA12 (polyamide 12). La luminance du complexe est mesurée à l'aide d'un vidéoluminancemètre (Cd/m²) permettant de cartographier les performances lumineuses de la pièce, et l'irradiance est mesurée par un puissance-mètre (mW/cm²). Les propriétés lumineuses sont mieux préservées lors de l'utilisation des matières PP et Surlyn par rapport au PA12 et au SAN, en raison de températures de transformation plus faibles. Afin de limiter les sollicitations mécaniques sur le tissu, un polymère à haute fluidité est à privilégier. En accord avec le cahier des charges des pièces visées, le PP est sélectionné pour sa fluidité plus importante que celle du Surlyn, permettant de réduire les efforts sur le complexe lumineux. Malgré le maintien global de la fonctionnalité lumineuse des tissus, la luminance n'est toutefois pas optimale et nécessite d'adapter le process et l'architecture du tissu lui-même. L'architecture du complexe textile lui-même est optimisée grâce à l'ajout d'une toile PA et d'une couche d'interface (colle ou silicone). La luminance est améliorée ainsi que l'adhésion entre le polymère de surmoulage et le complexe grâce à la toile. La couche d'interface constitue pour sa part une barrière thermique permettant de préserver les fibres optiques. Les propriétés optiques mesurées après intégration sont similaires à celles du complexe lumineux avant la mise en œuvre par surmoulage. Pour mener à bien l'ensemble de ces développements, un outillage dédié est conçu et réalisé. Si la sélection d'une matière de surmoulage appropriée et d'une architecture de complexe optimisée permet de limiter l'impact thermique et mécanique sur le tissu lumineux, d'autres phénomènes et risques doivent être traités par l'outillage lui-même. C'est notamment le cas de la gestion de l'écoulement du polymère afin de réduire les risques d'infiltrations à travers le textile, et du maintien de l'insert lumineux dans l'outillage. De plus, une zone d'épargne spécifique au sein du moule protège la connectique des fibres optiques de tout surmoulage, en garantissant une parfaite étanchéité. La compressibilité du complexe lumineux est également prise en compte, et nécessite des adaptations de l'outillage. La présence de tissus d'aspect en surface du complexe lumineux, notamment dans le cas de tissus moussés, amplifie le risque associé à la compressibilité et la difficulté de maîtrise des épaisseurs de surmoulage.

La validation du démonstrateur automobile

Les travaux de développement du procédé de surmoulage sont menés sur une pièce représentative de petite dimension (77 x 31 mm). Toutefois, ils valident la compatibilité entre le procédé et les textiles lumineux, et rendent possible la mise à l'échelle pour la réalisation d'un médaillon complet avec le même procédé pour une production en série sur véhicule. À cette fin, un prototype est conçu, fabriqué et assemblé dans une portière complète de DS7.

Perspectives

Au travers du projet Liteva, la technologie d'intégration de textiles lumineux à fibres optiques dans les pièces plastique a été développée pour le secteur automobile, et plus spécifiquement pour l'intérieur habitacle sur un médaillon de porte. Compte tenu des résultats obtenus, sa transposition peut être envisagée vers d'autres éléments du cockpit comme un montant de baie, le volant ou la planche de bord pour assurer d'autres fonctions d'alertes ou d'ambiance. Au-delà du secteur automobile, cette approche pour l'intégration d'IHM dans les pièces plastique présente également un intérêt certain pour d'autres domaines d'activité tels que l'aéronautique, la santé, le sport, le loisir, etc. De nombreuses perspectives s'offrent donc pour le déploiement de cette technologie.

Remerciements

Le projet Liteva a reçu un financement de la région AURA et de Bpifrance. Le projet est labellisé par les Pôles Techtera, Mov'eo et Cara. Les sous-traitants Efilighting et Protostyle sont remerciés pour leurs implications dans le projet.