L`assemblage multimatériaux : les enjeux, problématiques et solutions

L’assemblage multimatériaux, les enjeux, problématiques et solutions
Richard Tomasia, Pierre Chalandona, Cyrille Dalla Zuannaa,
a
CETIM Centre Technique des Industries Mécaniques, France
Résumé
L’assemblage multimatériaux à savoir le mariage d’un
élément métallique avec un élément en matériaux
composites est un levier nécessaire afin d’optimiser les
performances des structures aérospatiales. Suite à ce
constat, le CETIM a lancé un programme d’étude nommé
PAMM (Projet Assemblage MultiMatériaux) afin
d’évaluer les solutions existantes et proposer de nouveaux
concepts. Dans un premier temps, nous allons présenter les
solutions usuelles, ensuite, nous présenterons les solutions
innovantes issues des travaux de recherche du CETIM.
Les assemblages collés
Lorsque l’on pense assemblage métal/composite, une
solution polyvalente est le collage.
Le point le plus important pour cette technologie reste
l’adhésion de la colle sur le substrat. Le CETIM a réalisé
une étude de clivage en coin en immersion avec différentes
préparations de surface compatibles selon la directive
REACH. Les résultats sont présentés ci-dessous :
Introduction
Les assemblages multimatériaux à savoir l’utilisation de
structures métalliques associées à des structures
composites sont en plein essor. En effet, les structures tout
composite en remplacement du tout métallique ne sont pas
toujours optimales pour des raisons de contraintes
thermiques ou de contraintes budgétaires. Par conséquent,
les développements en cours et à venir s’orientent vers une
optimisation de la structure grâce à l’utilisation « du bon
matériau » au « bon endroit ».
Cependant, l’utilisation de matériaux aux comportements
mécaniques différents concentre la problématique
technique au niveau de la jonction.
Les assemblages multimatériaux
actuels
Les différentes technologies d’assemblage peuvent être
répertoriées en fonction du critère de démontabilité.
Figure 2. Avancement de la fissure pour un essai de
clivage au coin en immersion suivant différentes
préparations de surface
Ce qu’il faut retenir pour réaliser un collage
multimatériaux :
Privilégier les sollicitations en cisaillement dans
le joint de colle
Repenser la géométrie de la liaison pour obtenir
une zone de collage par recouvrement
Optimiser la longueur du recouvrement pour faire
passer les efforts
Equilibrer les rapports de rigidité pour atteindre
une rigidité équivalente Emétal x emétal = Ecomposite x
ecomposite
Les assemblages vissés
Figure 1. Typologie d’assemblage en fonction du critère
de démontabilité.
Dans la suite du présent document, nous décrirons les
assemblages couramment rencontrés dans l’industrie et
notamment le collage et le vissage.
Les assemblages vissés restent très utilisés, notamment
pour les sollicitations en traction ou du fait du critère de
démontabilité.
Afin de garantir la durabilité de l’assemblage, il est
introduit une précharge dans le boulon lors du serrage.
Cependant, le vissage avec un matériau composite présente
les risques suivants :
La tendance au fluage des matériaux composites
et notamment les matrices thermoplastiques
Le perçage des fibres du matériau composite
affaiblit la tenue mécanique du matériau
Des travaux sont en cours avec l’Ecole Centrale de Nantes
pour établir des règles ainsi qu’un modèle pour le vissage
des composites thermoplastiques sans insert.
Ce qu’il faut retenir en termes de règles de conception
pour réaliser un vissage multimatériaux :
A l’heure actuelle, utiliser des inserts métalliques
dans le matériau composite reste la meilleure
solution
Les matériaux composites fluent d’un ordre
supérieur à l’allongement de la vis, notamment en
température.
Les assemblages multimatériaux
innovants
Parmi les technologies développées spécifiquement pour
l’assemblage multimatériaux, on note le Collar Joining de
BASF, le procédé Surfi-SculptTM et ComeldTM de TWI, le
Friction Spot Welding développé par HZG, le Fric
Riveting de GKSS, le cloutage, le clinchage ou
l’hybridation d’une technologie principale avec le
surmoulage. Le CETIM s’est intéressé à trois technologies
qui sont présentées ci-dessous :
L’assemblage par collage à chaud
Le procédé consiste à utiliser les propriétés conductrices
de la chaleur de la partie métallique pour chauffer le
matériau composite thermoplastique. Le chauffage par
induction de la pièce métallique permet de réguler sans
dépasser la température de fusion de la matrice polymère.
L’assemblage
par
thermoestampage
picots
CMT
et
La structuration est réalisée au moyen du procédé CMT de
FRONIUS®. La pièce métallique est ensuite placée dans le
moule d’estampage pour insérer les picots dans la pièce en
composite. Les résultats suivant la géométrie des picots
sont illustrés ci-dessous :
Figure 4. Exemples d’assemblage métal/PA66-Verre par
picots
Ce qu’il faut retenir pour réaliser une texturation CMT
puis un thermo estampage :
Cette technologie est utilisée uniquement avec les
matériaux composites thermoplastiques ;
Cette technologie permet la réalisation
l’assemblage en même temps de la conformation
de la pièce en matériaux composites.
L’assemblage par rivetage auto-poinçonneur
Figure 3. Schéma de principe du collage à chaud par
induction
Ces essais ont été réalisés sur des assemblages PA66-Verre
/ Aluminium avec les résultats suivants :
Le rivetage auto-poinçonneur est un procédé de rivetage
servant à fixer entre elles deux feuilles de matériau en
enfonçant un rivet en partie supérieures et en refoulant ce
rivet dans la feuille inférieure, sans la poinçonner.
Cette technologie a été testée sur le couple
aluminium/PA66-verre avec l’ajout de colle lors de
l’opération de rivetage. Il s’agit d’une technologie hybride.
Cette technologie a été comparée aux technologies prises
séparément. Les résultats sont présentés ci-dessous :
Tableau 1. Essais de traction-cisaillement sur les
assemblages.
Condition
Tenue mécanique
Zone de rupture
Ecart
type
Sablage aluminium
8,6MPa (RA)
2,9
26,0 (RC)
0,4
15,7 (RC)
0,5
Texturation
Sans vieillissement
Texturation
Vieillissement H7
Ce qu’il faut retenir pour réaliser un collage à chaud
multimatériaux :
Cette technologie est utilisée uniquement avec les
matériaux composites thermoplastiques ;
La texturation de la surface et notamment
métallique permet d’atteindre une tenue
mécanique
égale
voire
supérieure
aux
assemblages collés.
Figure 5. Tenue en statique et effet du vieillissement sur la
tenue en cisaillement des assemblages rivetés, collés et
rivetés-collés, travaux CETIM, Renault, ENISE
Ce qu’il faut retenir pour réaliser un assemblage par
rivetage autopoinçonneurs :
Les assemblages avec des tôles en matériau
composite d’épaisseur supérieure à 3mm semble
difficile ;
Procédé d’assemblage rapide et répétable ;
Tenue en fatigue correct