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Utilisation de composites de fibre de verre dans les composants de sécurité des ascenseurs

Ces travaux étudient la possibilité d'utiliser des matériaux composites comme substituts légers aux composants métalliques dans les jupes télescopiques des ascenseurs. Les stratifiés renforcés de fibres de verre ont été caractérisés et optimisés par des éléments finis. Le prototype développé a satisfait aux exigences de sécurité, a permis une réduction de poids de plus de 30%, a maintenu les performances mécaniques et a amélioré l'efficacité énergétique.

L'agilité est devenue un objectif clé dans le développement des composants structurels et de sécurité des équipements de levage, stimulés par la nécessité d'améliorer l'efficacité énergétique, la mobilité et les performances opérationnelles^1,2. La réduction du poids des structures réduit les charges d'inertie, réduit la fatigue mécanique, facilite le transport et augmente la sécurité, raccourcit les temps d'installation et de déplacement, améliorant ainsi l'efficacité globale des équipements³.

L'acier est actuellement le matériau le plus utilisé dans les systèmes de levage en raison de sa haute résistance mécanique, de sa durabilité et de son comportement fiable à la fatigue. Cependant, sa densité élevée augmente considérablement le poids des composants, ce qui augmente la consommation d'énergie, les coûts de transport et les exigences de dimensionnement des structures de support. En outre, l'acier est sensible à la corrosion et est électriquement conducteur, ce qui impose des limites importantes dans certains environnements de travail⁴.

Les alliages d'aluminium offrent une densité plus faible et une résistance à la corrosion plus élevée, mais dans les applications structurelles exigeantes, ils n'ont pas toujours le comportement mécanique nécessaire... 5. En conséquence, au cours des dernières décennies, de nombreuses recherches ont été menées sur les composites de polymères renforcés par des fibres (FRP). Ces matériaux offrent d'excellents rapports résistance/poids et rigidité/poids et permettent d'obtenir des réductions de poids allant de 30 à 50 % par rapport aux matériaux métalliques traditionnels. C'est pourquoi ils ont été appliqués avec succès dans le secteur aéronautique, automobile et maritime. Cependant, les composites présentent des défis technologiques tels que leur caractère anisotrope, leur sensibilité au processus de fabrication et la complexité des mécanismes de défaillance. Cela nécessite l'utilisation d'une méthodologie de conception et de modélisation avancées⁶.

Dans ce contexte, les structures hybrides qui combinent les propriétés des matériaux métalliques et des composites suscitent un intérêt croissant. Ces solutions combinent la ductilité et la dureté des métaux avec la légèreté des composites et des propriétés mécaniques adaptatives, ce qui en fait une option attrayante pour les composants structurels et de sécurité des futurs équipements de levage.

Aujourd'hui, tous les composants structurels des fûts télescopiques d'ascenseurs sont fabriqués à partir de matériaux métalliques. Malgré quelques tentatives d'utilisation de matériaux thermoplastiques, leur utilisation s'est limitée à des fonctions secondaires telles que le revêtement, la protection ou les éléments décoratifs. Aucun composant structurel fabriqué à partir de matériaux composites n'a été identifié. L'objectif de ce travail est donc d'étudier la possibilité de remplacer ces composants métalliques par des structures hybrides de matériaux composites et de composites métalliques, en particulier dans les liaisons hybrides et les zones à forte usure.

Matériaux et méthodologie

La première phase de l'étude a consisté à caractériser mécaniquement un composé laminé renforcé de fibres de verre biaxiales. Pour ce faire, en utilisant le même processus de fabrication que la jupe, une série de plaques a été produite, puis les éprouvettes ont été usinées conformément à la réglementation en vigueur. Des essais de traction, de flexion et de densité ont été réalisés. Les principales propriétés mécaniques obtenues sont résumées dans le tableau ci-dessous.

Après avoir défini les propriétés du matériau, des modèles d'éléments finis (FEM) ont été développés pour étudier le comportement structurel du faldon. La configuration étudiée comprend un jupon télescopique à quatre corps, où chaque corps est fabriqué à partir de matériaux composites et assemblé par des guides métalliques. La principale exigence de conception était que le déplacement sous charge de 300 N appliqué à n'importe quel point de la jupe soit inférieur à 30 mm.

Lors de la première itération, un modèle simplifié a été développé à l'aide d'un stratifié à quatre couches. Les couches ont été fixées à 0°/90° pour une épaisseur totale de 4,8 mm. Dans ce modèle, les guides métalliques ont été considérés comme des éléments de rigidité infinie. Après l'application des conditions limites, il a été observé que la déformation se concentrait principalement autour de l'axe longitudinal de chaque faldon, ce qui a permis une analyse plus détaillée de chaque sous-ensemble. Dans le cas critique, un déplacement maximal de 14 mm et un indice de Tsai-Wu de 0,64 ont été obtenus. Le critère Tsai-Wu est l'indicateur utilisé pour prédire l'échec des stratifiés composés; lorsque la valeur est inférieure à 1, le matériau est supposé ne pas échouer. Il a donc été conclu que la conception répondait aux exigences de sécurité. À la suite de cette analyse, un stratifié à quatre couches de tissu biaxial en fibre de verre placé dans une orientation 0°/90° a été sélectionné pour les pièces formant la jupe.

Conception et fabrication de la jupe

Sur la base des résultats de l'analyse des éléments finis, la géométrie de la jupe a été repensée. En raison de l'augmentation de l'épaisseur, les joints et les longueurs entre les pièces ont été ajustés pour assurer un montage correct. De même, toutes les géométries qui pouvaient compliquer le démoulage ont été supprimées. Cette conception a de nouveau entraîné une réduction significative du poids de la structure. En effet, le faldon métallique d'origine avait une masse d'environ 12 kg et la version composite développée devrait peser moins de 8 kg.

Cela implique une réduction de poids de plus de 30% tout en maintenant le comportement structurel. Des moules métalliques modulaires ont été conçus pour la fabrication de la jupe. Les moules ont été fabriqués par découpe laser et pliage de tôle, intégrant toutes les géométries et les trous nécessaires aux pièces. Pour les pièces à contre-courant, des moules amovibles ont été utilisés pour faciliter le démoulage.

Le processus de fabrication a commencé avec la préparation de la surface par l'application de différentes couches de démoulage. Le revêtement Gelcoat a ensuite été appliqué pour obtenir une finition esthétique finale de la pièce tout en offrant une protection supplémentaire contre la corrosion et le vieillissement. Alors que la gelcoata était encore fraîche, une stratification manuelle a été effectuée. Des tissus biaxiaux de fibre de verre et de résine ont été systématiquement accumulés. Pour réduire le risque de délamination, des couches de MAT en fibre de verre ont été insérées entre les couches structurelles afin d'améliorer la cohésion.

Après le démoulage, les pièces ont été usinées et les trous et les vides fonctionnels nécessaires ont été créés. Enfin, les cinq composants ont été regroupés en utilisant le même guide et les mêmes éléments de liaison que ceux utilisés dans la jupe métallique d'origine.

Conséquences

Les résultats montrent que les matériaux composites renforcés de fibre de verre sont une option viable pour remplacer les composants métalliques des faldons télescopiques des ascenseurs. La conception développée a atteint toutes les limites mécaniques établies, avec un déplacement maximal de 14 mm et une valeur Tsai-Wu de 0,64. En outre, une réduction de poids supérieure à 30% a été obtenue, ce qui entraîne des améliorations significatives dans les transports, la consommation d'énergie et la manutention. Ces résultats démontrent le potentiel énorme des matériaux composites et composites métalliques hybrides dans les nouvelles générations de composants structurels et de sécurité des équipements de levage.

Bibliographie et sources

[1] Wang, Hua; Zhang, Shuai; Yu, Junyang. 2018. “Computer Aided Tolerancing of Composite Elevator Assembly Involving Clamping Forces Coordination”. Procedia CIRP, 75, 256–260.

[2] Yu, Bolin. 2014. “A Surface Composite Coating Elevator Safety Gear Wedge.” Advanced Materials Research, 838-841, 148-151.

[3] Callister Jr., William D.; Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley, à Hoboken.

[4] Kheswa, Banele Siyabonga; Whitefield, David; Potgieter, Herman; Bodunrin, Michael. 2026. “Corrosion of S32205 Duplex Stainless Steel”. CORROSION, 82(1), 4-16.

[5] Wang, Renhong; Wang, Xiuli; Su, Peiyu; Chen, Zhihua; Liu, XiaoWei. 2026. “Study on Mechanical Properties of Reinforced Aluminum Alloy Bolted Joints”. Structures, 84, 111066.

[6] Destinée, Y.; Alsancak, S.2026. “Lightweight Design of Running Prosthetic Feet Using Honeycomb Sandwich Composites: A Comparative FEA Study”. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 14, 1785315.