FR3072604A1 - Procede de collage structural de pieces de structure et insert de collage pour la mise en oeuvre dudit procede - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de collage structural entre une première pièce en matériau composite et une seconde pièce en matériau composite ou métallique, dans lequel, préalablement à l'opération de collage, l'on effectue une texturation de surface de la zone de jonction des deux pièces en matériau composite dans un assemblage composite/composite ou d'au moins la pièce en matériau composite dans un assemblage composite/métallique par ajout de matière pour augmenter la surface spécifique de collage desdites zones de jonction. Ainsi, lors de l'opération de collage, lorsque les pièces de structure sont pressées l'une contre l'autre, lesdites zones de jonction se lient intimement entre-elles avec ledit joint de colle pour augmenter leur ancrage mécanique.
Description
PROCEDE DE COLLAGE STRUCTURAL DE PIECES DE STRUCTURE ET
INSERT DE COLLAGE POUR LA MISE EN ŒUVRE DUDIT PROCEDE
Domaine technique :
La présente invention concerne un procédé de collage structural de pièces de structure dont au moins une première pièce est une pièce en matériau composite et une seconde pièce est une pièce en matériau composite ou une pièce métallique, la ou les pièces en matériau composite étant constituées d’une préforme de renfort à base de fibres imprégnées d’une matrice à base de polymères, les deux pièces de structure étant assemblées entre elles lors d’une opération de collage dans laquelle on dépose un joint de colle dans une zone de jonction déterminée d’au moins une desdites pièces, on presse lesdites pièces l’une contre l’autre et on les maintient en position jusqu’au durcissement dudit joint de colle pour obtenir un assemblage structurel rigide.
L’invention concerne également un insert de collage permettant la mise en œuvre dudit procédé de collage structural, un outillage pour la fabrication d’une pièce en matériau composite comportant au moins un moule et un contre moule définissant l’empreinte tridimensionnelle de ladite pièce en matériau composite à fabriquer, et permettant la mise en forme d’une préforme de renfort à base de fibres, l’imprégnation de la préforme avec une matrice à base de polymères, puis le durcissement de la pièce ainsi obtenue, un assemblage d’au moins deux pièces de structure obtenu selon ledit procédé de collage, ainsi qu’une utilisation dudit assemblage obtenu.
Technique antérieure :
D’une manière générale, l’assemblage de pièces par collage pour créer un ensemble ou un sous-ensemble, que ces pièces soient réalisées dans des matériaux identiques ou différents, génère un rendement mécanique médiocre dans la zone de jonction et résiste mal aux contraintes mécaniques auxquelles il est soumis telles que le pelage, la traction, le cisaillement ou le clivage. Ce résultat peut ne pas être dérangeant pour un assemblage non structurel, qui n’a pas besoin d’atteindre de hautes performances mécaniques. A l’inverse, ce résultat est proscrit car dangereux pour un assemblage structurel, qui nécessite un haut niveau de performances mécaniques étant donné que la zone de jonction doit pouvoir supporter et transférer des charges. Dans ce cas, la solution la plus courante consiste à surdimensionner les zones de jonction, donc les pièces, au détriment de l’encombrement et du poids de l’assemblage obtenu. D’autres solutions consistent à combiner le collage avec d’autres procédés d’assemblage tels que par rivetage, ou similaire, qui compliquent, alourdissent et renchérissent l’opération d’assemblage.
D’autre part, rutilisation de pièces structurelles en matériau composite se développe de manière exponentielle dans différents secteurs industriels comme l’aéronautique, l’aérospatiale, le transport terrestre et notamment l’automobile, la construction d’ouvrages d’art, l’industrie navale, l’énergie, etc. En effet, les matériaux composites sont très appréciés pour leur légèreté à rigidité mécanique comparable à l’acier, d’où un important gain en poids qui se traduit généralement par une économie d’énergie substantielle. H est en effet reconnu que 75% de la consommation d’un véhicule est liée à sa masse. Selon les applications, certains sous-ensembles structurels en matériau composite sont fabriqués d’une seule pièce monobloc pour contourner les problèmes d’assemblage, ce qui complique et renchérit considérablement la conception et la fabrication de ces sous-ensembles. Lorsqu’une fabrication monobloc n’est pas envisageable, toutes ou partie des pièces formant le sous-ensemble structurel sont fabriquées séparément puis assemblées par différents procédés. Les procédés mécaniques tels que le soudage et le rivetage sont aujourd’hui les plus utilisés, mais présentent de nombreux inconvénients. Dans le cas de grandes longueurs à assembler, le rivetage impose la mise en place de centaines voire de milliers de rivets, ce qui nécessite un temps de réalisation excessivement long, et génère un surpoids important qui pénalise l’avantage des matières composites. De plus, le perçage des pièces composites pour mettre en place ces rivets est complexe à gérer car il engendre une concentration des contraintes et une fragilisation des pièces au niveau des perçages réalisés. Le soudage est aujourd’hui une technologie qui apporte de très bonnes performances, mais qui est limité à des matériaux de même nature, ayant une même température de fusion. Cette technologie n’est pas adaptée aux assemblages multi-matériaux. Elle ne peut pas non plus être utilisée avec des composites à matrice thermodurcissable qui ne présente pas de point de fusion. Une des solutions permettant de contourner ces inconvénients réside dans des procédés d’assemblage par collage au moyen de matières adhésives adéquates à base de résine époxy, de polyuréthane, d’acrylique ou de toute autre matière adhésive communément utilisée pour ce type d’application. Pour favoriser l’adhésion de la colle sur les pièces composites à assembler, il est nécessaire de leur faire subir un traitement de surface qui peut comporter un sablage de la zone de jonction suivi d’un dégraissage par solvant. On dépose ensuite un film d’une matière adhésive sur au moins une des pièces puis on presse les pièces l’une contre l’autre afin de maintenir les pièces en position pendant la polymérisation ou le durcissement du joint de colle. On cherche ainsi à améliorer l’ancrage mécanique des pièces assemblées par collage. Toutefois, il est avéré que ces opérations de préparation de surface sont très insuffisantes et ne permettent pas d’atteindre un haut niveau de performances mécaniques d’une zone de jonction collée.
Par ailleurs, selon la conception des sous-ensembles structurels, les pièces à assembler peuvent être réalisées dans des matériaux identiques ou différents. La présente invention s’intéresse plus particulièrement d’une part à un assemblage par collage de deux pièces en matériau composite, et d’autre part à un assemblage par collage d’une pièce en matériau composite et d’une pièce métallique. En effet, un assemblage par collage de deux pièces métalliques ne présente que peu d’intérêt au regard des autres techniques d’assemblage existantes, telles que le soudage ou similaire.
La publication LR 2 960 881 B1 propose un procédé de collage structural renforcé de deux pièces en matériau composite, dans lequel le joint de colle est chargé en particules dites solides. Sous l’action d’une forte pression sur le joint de colle, les particules solides pénètrent en partie dans les pièces composites permettant d’obtenir un ancrage mécanique supplémentaire dans leur zone de jonction. Cette solution permet de calibrer l’épaisseur du joint de colle mais n’assure pas un ancrage mécanique suffisant pour augmenter drastiquement les performances de la zone de jonction.
Une autre solution décrite dans la publication US 2016/0265570 Al consiste à décaper par un faisceau laser la résine en surface d’une pièce en matériau composite pour exposer les fibres de carbone ou de verre de ladite pièce à une matière adhésive. Cette même publication propose d’usiner par un faisceau laser la surface d’une pièce métallique pour y réaliser des rainures. La combinaison de ces deux traitements de surface par enlèvement de matière permet d’améliorer l’ancrage mécanique des pièces à assembler. Toutefois, ce procédé de collage est long à mettre en œuvre, nécessite une immobilisation des pièces, et n’assure qu’un ancrage mécanique superficiel de 0,1 à 0,2mm qui peut s’avérer insuffisant en termes de résistance mécanique.
La publication « New sandwich skin helps panels to outperform conventional counterparts by up to 71% » paru dans le numéro 110, page 26 et 27, de JEC COMPOSITES MAGAZINE de Janvier-Lévrier 2017 propose une technologie par arrachage de matière à la surface de pièces métalliques pour créer des crochets en relief visant à améliorer l’ancrage mécanique au sein d’une structure sandwich constituée de deux plaques en aluminium assemblées entre elles par un noyau en polyéthylène haute densité, pour former un panneau de revêtement de façade. Cette solution est limitée aux pièces métalliques et fragilise les pièces du fait de l’arrachement de matière. Elle est limitée à des surfaces planes, de grandes dimensions, car il semble difficile d’effectuer cette agression mécanique localement.
Ainsi, les solutions actuelles cherchant à améliorer l’ancrage mécanique d’un assemblage par collage ne donnent pas entière satisfaction.
Exposé de l'invention :
La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé de collage industrialisable entre deux pièces de structure pour réaliser un assemblage composite/composite ou composite/métallique, permettant d’améliorer davantage la tenue mécanique dans la zone de jonction collée, en augmentant largement la surface spécifique de chaque zone de jonction et en créant une interpénétration des matériaux en présence, permettant également de maîtriser l’épaisseur du joint de colle notamment dans un assemblage composite/métallique, tout en réduisant les temps de préparation de surface des pièces à assembler, ce qui permet d’adapter ledit procédé à une chaîne de montage, ce procédé étant en outre compatible avec une grande partie des procédés de fabrication actuels des pièces composites et pouvant convenir à des assemblages de petites et de grandes dimensions et/ou de formes simples et complexes.
Dans ce but, l'invention concerne un procédé du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce que, préalablement à l’opération de collage, on effectue une texturation de surface de la zone de jonction des deux pièces en matériau composite dans un assemblage composite/composite ou d’au moins la pièce en matériau composite dans un assemblage composite/métallique par ajout de matière pour augmenter la surface spécifique de collage desdites zones de jonction, et en ce que, lors de l’opération de collage, lorsque les pièces de structure sont pressées l’une contre l’autre, lesdites zones de jonction se lient intimement entre-elles avec ledit joint de colle pour augmenter leur ancrage mécanique.
De manière avantageuse, pour effectuer une texturation de surface de la zone de jonction de la ou des pièces en matériau composite, on fabrique un insert de collage à base de fibres textiles dont la forme et les dimensions sont adaptées à celles de ladite zone de jonction, et on intègre ledit insert de collage à chaque pièce en matériau composite lors de sa fabrication dans un outillage adapté de sorte à orienter ledit insert de collage à l’extérieur de ladite pièce dans ladite zone de jonction pour l’exposer audit joint de colle lors de l’opération de collage.
Pour fabriquer ledit insert de collage, et selon les variantes de réalisation, on peut réaliser un complexe comportant une première nappe de fibres textiles superposée à un film barrière, ladite première nappe de fibres textiles constituant une face extérieure dudit insert de collage agencée pour être orientée à l’extérieur de ladite pièce en matériau composite, et ledit film barrière étant agencé pour isoler la face extérieure dudit insert de collage par rapport à ladite pièce en matériau composite et empêcher l’imprégnation de ladite première nappe de fibres textiles par la matrice dudit matériau composite pour que ces fibres restent sèches.
Dans ce cas, on dimensionne avantageusement ledit film barrière pour qu’il ait une surface supérieure à la surface de ladite première nappe de fibres textiles afin de créer un rebord périphérique tout autour dudit insert de collage, ce rebord périphérique étant agencé pour coopérer avec un joint d’étanchéité prévu sur ledit outillage adapté.
Dans un premier mode de réalisation, on peut assembler ledit insert de collage à la préforme de renfort dudit matériau composite par une technique de couture, d’aiguilletage ou de touffetage.
Dans un second mode de réalisation, on peut ajouter au complexe formant ledit insert de collage une seconde nappe de fibres textiles superposée audit film barrière à l’opposé de ladite première nappe, ladite seconde nappe de fibres textiles constituant une face intérieure dudit insert de collage agencée pour être orientée à l’intérieur de ladite pièce en matériau composite et imprégnée par la matrice dudit matériau composite.
Dans ce cas, on dimensionne avantageusement ladite seconde nappe de fibres textiles pour qu’elle ait une surface au moins égale à la surface dudit film barrière.
De préférence, on réalise ledit film barrière dans des matières thermoplastiques ou thermodurcissables, et on assemble intimement ledit film barrière à ladite première nappe de fibres textiles et/ou ladite seconde nappe de fibres textiles par un procédé de thermocollage, de polymérisation ou de réticulation, sous pression.
Selon on réalise ladite première nappe de fibres textiles et/ou ladite seconde nappe de fibres textiles dans des nappes bidimensionnelles obtenues à partir d’un tissu tissé ou d’un voile non tissé, et/ou dans des nappes tridimensionnelles obtenues à partir d’un velours lisse ou côtelé, d’un tricot, d’un non-tissé aiguilleté, d’un tissu touffeté, d’un tissu gratté.
Dans un assemblage composite/métallique, on peut effectuer également une texturation de surface de la zone de jonction de ladite pièce en matériau métallique en réalisant un relief tridimensionnel par ajout de matière déposée selon un procédé d’impression tridimensionnelle.
Dans ce cas, on choisit ladite matière à déposer parmi les matières synthétiques et métalliques compatibles avec la matière métallique de ladite pièce à assembler.
En fonction des buts visés, on peut effectuer la texturation de surface des zones de jonction desdites pièces de structure à assembler en choisissant des motifs de texturation compatibles ou complémentaires.
Dans ce but, l'invention concerne également un insert de collage permettant la mise en œuvre du procédé de collage structural défini ci-dessus, caractérisé en ce qu’il comporte un complexe pourvu d’une première nappe de fibres textiles superposée à un film barrière, ladite première nappe de fibres textiles constituant une face extérieure dudit insert de collage.
Dans une forme de réalisation préférée, la surface dudit film barrière a une surface supérieure à la surface de ladite première nappe de fibres textiles afin de créer un rebord périphérique tout autour dudit insert de collage.
Selon les variantes de réalisation, ledit insert de collage peut comporter en outre une seconde nappe de fibres textiles superposée audit film barrière à l’opposé de ladite première nappe, ladite seconde nappe de fibres textiles constituant une face intérieure dudit insert de collage. Dans ce cas, ladite seconde nappe de fibres textiles a de préférence une surface au moins égale à la surface dudit film barrière.
Le but de l'invention est également atteint par un outillage tel que défini en préambule, caractérisé en ce qu’il est adapté pour la mise en œuvre du procédé de collage défini ci-dessus, et en ce qu’il comporte dans ledit moule au moins un évidement dont la forme et les dimensions correspondent à celles de ladite zone de jonction déterminée et dont la profondeur correspond à l’épaisseur dudit insert de collage, et une gorge périphérique disposée autour dudit évidement pour recevoir un joint d’étanchéité destiné à coopérer avec le rebord périphérique dudit insert de collage afin d’isoler sa face extérieure et empêcher l’imprégnation de ladite première nappe de fibres textiles par la matrice pour que ces fibres restent sèches lors de la fabrication de ladite pièce en matériau composite.
Dans ce but, l’invention concerne un assemblage de pièces de structure obtenu par le procédé de collage structural défini ci-dessus, ainsi qu’une utilisation d’un tel assemblage comme sous-ensemble ou ensemble structurel pour l’aéronautique, l’aérospatiale, le transport, la construction et l’énergie.
Description sommaire des dessins :
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels:
la figure 1 est une vue en perspective d’un insert de collage pour la mise en œuvre du procédé de collage selon l’invention, la figure 2 est une vue en coupe selon le plan de coupe AA de l’insert de collage de la figure 1, la figure 3 est une vue en coupe d’un outillage pour la fabrication d’une pièce composite dans lequel l’insert de collage de la figure 1 a été positionné avant la mise en place de la préforme pour réaliser ladite pièce composite, la figure 4 est une vue en perspective d’une pièce métallique pourvue dans ses zones de jonction d’un motif de reliefs obtenus par traitement de surface conformément au procédé de l’invention, les figures 5A et 5B sont d’autres exemples de motifs obtenus par traitement de surface de la pièce métallique de la figure 4, la figure 6 est une vue en perspective d’un sous-ensemble structurel obtenu par collage d’une pièce composite et d’une pièce métallique conformément au procédé de l’invention, les figures 7 et 8 sont des vues agrandies des détails VII et Vin de la figure 6, la figure 9 est une vue en coupe agrandie de l’assemblage composite/métallique de la figure 8, et la figure 10 est une vue en coupe agrandie d’un assemblage composite/composite.
Illustrations de l'invention et différentes manières de la réaliser :
Dans les exemples de réalisation illustrés, les éléments ou parties identiques portent les mêmes numéros de référence.
En référence aux figures, le procédé de collage structural de pièces de structure 1, 2 selon l’invention peut s’appliquer d’une part à un assemblage entre deux pièces en matériau composite, les matériaux composites en présence pouvant être identiques ou non, et d’autre part à un assemblage entre une pièce en matériau composite et une pièce métallique. Dans le cadre de l’invention, il faut comprendre par «pièce en matériau composite » tout type de pièces composites qu’il est possible de fabriquer et qui comportent généralement une préforme de renfort à base de fibres imprégnées d’une matrice à base de polymères, les fibres pouvant être des fibres de carbone, de verre, ou de toute autre nature communément utilisée dans les matériaux composites, et les polymères pouvant être des résines thermoplastiques ou thermodurcissables communément utilisées dans les matériaux composites. De même, il faut comprendre par « pièce métallique » tout type de pièces métalliques qu’il est possible de fabriquer à partir d’acier, d’acier inoxydable ou de tout autre alliage métallique communément utilisé pour la fabrication de pièces de structure. Par « pièce de structure », il faut comprendre toute pièce destinée à supporter et à transmettre ou transférer des charges. Bien entendu, l’invention peut s’appliquer à des pièces non structurelles, mais dans ce cas, n’aurait que peu d’intérêt économique.
De manière tout à fait classique, une opération de collage consiste à déposer un joint de colle 5 dans une zone de jonction 3, 4 déterminée d’au moins une des pièces 1, 2 à assembler, à presser les pièces 1, 2 l’une contre l’autre et à les maintenir en position jusqu’au durcissement du joint de colle 5 pour obtenir un assemblage structurel rigide. Les termes « zone de jonction » et «joint de colle » utilisés dans la présente demande, peuvent s’entendre également au pluriel.
Le procédé selon l’invention se singularise en ce que l’on effectue, préalablement à l’opération de collage, une texturation de surface de la zone de jonction 3, 4 de chacune des pièces 1, 2 par ajout de matière dans le but d’augmenter la surface spécifique de collage de chaque zone de jonction 3, 4. Le terme «texturation» couvre toute action visant à créer un dessin, un motif, une figure ou similaire, bidimensionnel ou tridimensionnel ou encore en une combinaison des deux, dont l’effet technique est l’augmentation de la surface spécifique de ladite zone de jonction 3, 4. Ainsi, lors de l’opération de collage, les zones de jonction 3, 4 texturées des pièces de structure 1, 2 pressées l’une contre l’autre s’interpénétrent et se lient intimement entre-elles avec le joint de colle 5. Ce phénomène engendre nécessairement une augmentation importante de l’ancrage mécanique des pièces entre elles permettant d’atteindre un haut niveau de performance mécanique pouvant atteindre par exemple un gain d’au moins 50% de résistance pour des sollicitations en cisaillement par rapport à un collage classique, et en fonction du choix retenu pour effectuer la texturation de surface.
Pour effectuer la texturation de surface de la zone de jonction 3 de la pièce de structure 1 en matériau composite ou de chacune des pièces en matériau composite, on lui ajoute des fibres qui ne seront pas imprégnées pendant la fabrication de la pièce composite. Dans ce but, on fabrique un insert de collage 6 à base de fibres textiles dont la forme et les dimensions sont adaptées à celles de la zone de jonction 3, on intègre cet insert de collage 6 à la pièce de structure 1 en matériau composite lors de sa fabrication, en orientant ledit insert de collage 6 à l’extérieur de ladite pièce 1, en isolant les fibres dudit insert de collage 6 pour qu’elles restent sèches et donnent ainsi une texture spécifique à la zone de jonction 3.
Un premier exemple d’insert de collage 6 est représenté en détail dans les figures 1 et 2 dans lequel il apparaît sous la forme d’un rectangle de surface plane. Cet exemple n’est pas limitatif et s’étend à toute autre forme géométrique ou complexe, de surface plane, courbe ou complexe, définies en fonction de la forme et de la surface des zones de jonction 3 et 4. H est formé d’un complexe comprenant une première nappe 7 de fibres textiles superposée à un film barrière 8 et une seconde nappe 9 de fibres textiles superposée audit film barrière 8 à l’opposé de ladite première nappe 7. La première nappe 7 de fibres textiles constitue une face extérieure de l’insert de collage 6, agencée pour être orientée à l’extérieur de la pièce de structure 1 en matériau composite, rester sèche et donner la texture à ladite zone de jonction 3. La seconde nappe 9 de fibres textiles constitue une face intérieure de l’insert de collage 6, agencée pour être orientée à l’intérieur de la pièce de structure 1 en matériau composite, imprégnée par la matrice dudit matériau composite et liée intimement ledit insert de collage 6 à ladite pièce de structure 1. Le film barrière 8 a pour fonction d’isoler la première nappe 7 de la seconde nappe 9 afin d’empêcher l’imprégnation de la première nappe 7 par la matrice dudit matériau composite et de conserver des fibres sèches.
La première nappe 7 de fibres textiles et la seconde nappe 9 de fibres textiles peuvent être de construction et de nature identique ou non, et peuvent être réalisées en deux ou en trois dimensions en fonction des performances mécaniques recherchées. Lorsque les nappes sont bidimensionnelles, elles peuvent être obtenues à partir d’un tissu tissé, d’un voile non tissé, sans que ces exemples ne soient limitatifs. Et lorsqu’elles sont tridimensionnelles, elles peuvent être obtenues à partir d’un velours lisse ou côtelé, d’un tricot, d’un non-tissé aiguilleté, d’un tissu touffeté, d’un tissu gratté, sans que ces exemples ne soient limitatifs. Dans ce cas, les fibres dépassent transversalement à la surface de la nappe et forment soit des poils 7’, 9’ soit des boucles. Ces exemples ne sont pas limitatifs et tout procédé d’entrelacement de fibres textiles peut convenir. De même, tout type de dessin ou de motif d’entrelacement des fibres peut convenir, comme par exemple un tissage en chevron, un tricot en jersey, un velours à rayures ou à damier, ou similaire dans le simple but de créer un ancrage le plus efficace possible. Les fibres qui composent les première et seconde nappes 7 et 9 peuvent être choisies parmi les fibres textiles naturelles, synthétiques, artificielles, inorganiques, telles qu’à titre d’exemples des fibres d’aramide, de carbone, de verre, de lin, et toute autre fibre ayant notamment une résistance élevée à la traction.
Le film barrière 8 peut être réalisé dans tout type de matières thermoplastiques ou thermodurcissables, comme par exemple une résine époxy ou un polyuréthane, sans que ces exemples ne soient limitatifs. H doit avoir de préférence une température de transition vitreuse (Tg) supérieure à la température de fusion de la matrice pour préserver son intégrité et sa fonction barrière au moins pendant la fabrication de la pièce composite. A titre d’exemple, un écart entre +10 et +20°C peut suffire. Ce choix reste du domaine de l’homme du métier.
Pour assurer un isolement correct de la première nappe 7 située sur la face extérieure de l’insert de collage 6, il est nécessaire que le film barrière 8 dépasse de cette première nappe 7 pour former un rebord périphérie 10 sur cette face extérieure. Ce rebord périphérique 10 est agencé pour entrer en contact avec un système d’étanchéité prévu spécifiquement sur l’outillage permettant la fabrication de la pièce de structure 1 en matériau composite, comme décrit plus loin en référence à la figure
3. C’est ainsi que pour réaliser l’insert de collage 6, on découpe les première et seconde nappes 7 et 9 et le film barrière 8 de telle sorte que la surface S7 de la première nappe 7 soit inférieure à la surface S 8 du film barrière 8 et que la surface S 9 de la seconde nappe 9 soit au moins égale à la surface S8 du film barrière 8 : S7 < S8 < ou = S9. Puis on superpose le film barrière 8 sur la seconde nappe 9 et la première nappe 7 sur le film barrière 8 en prenant soin de la centrer pour que le rebord périphérique 10 dépasse tout autour de la première nappe 7.
H convient également de respecter une certaine distribution des épaisseurs entre les trois composants. Le film barrière 8 doit présenter de préférence une épaisseur E8 inférieure à l’épaisseur E7 et E9 des nappes 7 et 9 de fibres textiles pour éviter de remplir intégralement les nappes 7 et 9 par fluage au moment de la fabrication de l’insert de collage 6. Elle peut être par exemple égale ou inférieure à la moitié de l’épaisseur des nappes 7 et 9 : E8 < E7 et E9 et de préférence E8 < ou = U E7 ou E9. L’épaisseur E7 et E9 des nappes 7 et 9 est mesurée sous pression, idéalement à la pression correspondant à la fabrication de l’insert de collage 6.
D’autre part, plus l’épaisseur E8 du film barrière 8 sera faible et plus l’insert de collage 6 restera discret en surface de la pièce de structure 1 en matière composite et n’aura pas d’influence sur les caractéristiques techniques de la pièce de structure 1 en matériau composite. A titre d’exemple, les épaisseurs des trois composants peuvent être comprises entre 0,05 et 0,5mm pour le film barrière 8 et entre 0,1 à 1mm pour les nappes 7 et 9, sans que ces exemples ne soient limitatifs.
Les trois composants de l’insert de collage 6, à savoir la première nappe 7, le film barrière 8 et la seconde nappe 9, sont assemblés entre eux intimement par tout procédé compatible, tel qu’un procédé mécanique par couture, agrafage, ou similaire, un procédé thermique par thermocollage, polymérisation, réticulation ou similaire, ou encore une combinaison des deux. On privilégiera un procédé thermique pour provoquer le fluage de la matière du film barrière 8 en direction des nappes 7 et 8 (tel qu’illustré schématiquement à la figure 2), et ainsi l’interpénétration du film barrière 8 dans chacune des nappes 7 et 9, liant les composants entre eux après durcissement du film barrière 8. Les conditions de ce procédé thermique en termes de température, de pression et de temps sont déterminées par l’homme du métier en fonction de la nature du film barrière 8 et font partie de ses connaissances. Lors de cette étape, la viscosité du film barrière 8 est importante. Une viscosité trop faible engendrerait des effets capillaires qui imprégneraient totalement les deux nappes 7 et 9. Elle doit donc être suffisamment élevée pour éviter ce phénomène de capillarité, et par exemple supérieure à lOOPa.s sans que cet exemple ne soit limitatif. Elle dépend à la fois de la nature du film barrière 8 et de la température de mise en œuvre, et les valeurs indiquées ne sont pas limitatives.
L’exemple d’insert de collage 6 qui vient d’être décrit n’est pas limitatif, mais a l’avantage d’être facile à industrialiser car il peut être préparé en avance et en dehors de la ligne de fabrication des pièces de structure 1 en matériau composite. De même, il peut être aisément intégré dans la pièce de structure 1 lors de sa fabrication. Il nécessite toutefois de modifier légèrement l’outillage de fabrication de ces pièces en référence à la figure 3.
Une autre variante de réalisation non illustrée consiste à fabriquer un insert de collage sans la seconde nappe 9 de fibres textiles et à le lier directement à la préforme de renfort de la future pièce de structure 1 en matériau composite. Cet insert de collage ne comporterait que le film barrière et la première nappe de fibres textiles et serait assemblé à ladite préforme de renfort par tout procédé d’assemblage approprié, tel que par couture, aiguilletage, touffetage, ou similaire, traversant toute ou partie de l’épaisseur de la préforme de renfort, ou encore par un procédé thermique comme pour l’insert de collage 6 décrit précédemment. La première nappe de fibres textiles pourrait ou non être complétée par les fils de renfort utilisés pour l’aiguilletage ou le touffetage. Ce mode de construction peut permettre d’obtenir des performances mécaniques extrêmes, mais augmente considérablement le temps de réalisation. Il peut toutefois avoir un intérêt pour des pièces de structure à forte valeur ajoutée pour des domaines exigeants comme l’aérospatial ou l’aéronautique.
Dans tous les cas, l’outillage 20 permettant la fabrication d’une pièce 1 en matériau composite doit être légèrement modifié pour pouvoir intégrer l’insert de collage 6 dans ladite pièce 1 lors de sa fabrication afin qu’il fasse partie intégrante de cette pièce et ne puisse s’en détacher. En référence à la figure 3, un outillage 20 comporte généralement au moins un moule 21 rigide et un contre moule 22 souple ou rigide (symbolisé par une flèche) définissant l’empreinte tridimensionnelle de la pièce 1 en matériau composite à fabriquer, et permettant la mise en forme d’une préforme 11 de renfort à base de fibres, l’imprégnation de la préforme 11 avec une matrice à base de polymères, puis le durcissement de la pièce 1 ainsi obtenue. Le fond du moule 21 est usiné pour créer un évidement 23 dont la forme et les dimensions correspondent à celles de la zone de jonction 3 déterminée et dont la profondeur P23 correspond sensiblement à l’épaisseur de l’insert de collage 6. Une gorge 24 périphérique est usinée autour de l’évidement 23 pour y recevoir un joint d’étanchéité 25, par exemple en élastomère ou similaire, ou tout système d’étanchéité équivalent. Ce joint d’étanchéité 25 est agencé pour créer avec le rebord périphérique 10 de l’insert de collage 6, lorsque le contre moule 22 est fermé sous pression, une zone d’étanchéité périphérique permettant d’isoler les fibres textiles de la première nappe 7. Ces fibres isolées restent sèches et ne sont pas imprégnées par la matrice qui est injectée dans l’outillage 20 pour former avec la préforme de renfort 11 la pièce 1 en matériau composite. L’outillage 20 peut ainsi être adapté sans grand surcout au procédé de collage selon l’invention et permet d’intégrer très facilement un ou plusieurs inserts de collage 6 dans la pièce 1 à fabriquer, l’insert de collage 6 n’étant pas limité ni en taille ni en surface qui peut aller de quelques mm2 à plusieurs m2. Lorsque le processus de fabrication est terminé, on obtient une pièce 1 en matériau composite dans sa définition stricte, c’est-à-dire une pièce solide monobloc, composée d’une matrice et d’une préforme de renfort 11. Seule la face extérieure de l’insert de collage 6 n’est pas imprégnée par la matrice, laissant apparaître les fibres sèches de la première nappe 7 dans la zone de jonction 3. La technique de texturation de surface par isolement de fibres sèches a été décrite en référence à un procédé de fabrication de pièces en matériaux composites par moulage et par injection basse pression de résine type RTM (Resin Transfert Molding). Elle peut être bien entendu transposée à pratiquement tous les procédés de fabrication de pièces en matériaux composites, même dans le cas où le contre moule n’existe pas.
Lorsque le procédé de collage de l’invention s’applique à un assemblage composite/métallique, la pièce de structure 2 métallique peut être préparée spécifiquement en effectuant une texturation de surface d’une ou de plusieurs zones de jonction 4 par ajout de matière. Elle pourrait ne pas subir une étape de texturation avant collage. On obtiendrait malgré tout un gain de résistance grâce à la texturation de la pièce composite. Pour effectuer la texturation, on utilise préférentiellement une technique de fabrication additive, par un procédé d’impression tridimensionnelle de type LMD (Laser Métal Déposition) ou similaire. Ce procédé permet d’ajouter une matière chimiquement et physiquement compatible avec le métal constituant la pièce de structure 2 pour lui permettre d’adhérer intimement à la surface de ladite pièce. La matière ajoutée peut être de préférence métallique, voire dans certains cas synthétique en fonction du procédé d’impression tridimensionnelle choisi et de la pièce 2 à texturer.
La figure 4 représente un exemple d’une pièce de structure 2 métallique sous la forme d’un profilé en oméga, dont les ailes d’extrémité comportent deux zones d’appui longitudinales et parallèles entre elles, formant lesdites zones de jonction 4. Ces zones de jonction 4 comportent une topographie de surface formée par des picots 12 en relief, obtenus par ajout de matière au moyen d’un procédé d’impression tridimensionnelle, ces picots 12 étant répartis uniformément. La topographie de surface peut avoir une épaisseur variable, comprise entre 0,1mm et quelques millimètres, sans que ces valeurs soient limitatives. Le motif « picot » illustré n’est pas limitatif et s’étend à tout autre motif, qui peut être déterminé en fonction des contraintes mécaniques des zones de jonction 4. Le motif d’impression tridimensionnelle peut également être choisi en fonction du dessin ou du motif de la première nappe 7 de fibres textiles, pour qu’ils soient compatibles voire complémentaires en partie ou en totalité afin d’améliorer encore l’interpénétration des deux zones de jonction 3 et 4 lors de l’opération de collage des pièces 1 et 2. Les figures 5A et 5B illustrent deux autres exemples de motif, l’un sous la forme de nervures ondulées 13 parallèles en forme de S, et l’autre sous la forme de nervures droites 14 parallèles. Ces motifs peuvent en outre être répartis uniformément ou non dans les zones de jonction 4 permettant de répartir au mieux les contraintes en fonction des modes de sollicitation rencontrés..
Possibilités d'application industrielle :
La figure 6 montre l’intérêt du procédé de collage selon l’invention dans une application concrète, entre une première pièce de structure 1 en matériau composite sous la forme d’une peau, et de plusieurs secondes pièces de structure 2 métalliques sous la forme de raidisseurs, assemblage courant dans le domaine de l’aéronautique et du ferroviaire par exemple. Dans cet exemple, la première pièce de structure 1 en matériau composite sort de fabrication équipée d’inserts de collage 6 parfaitement intégrés, localisés dans ses zones de jonction 3, et laissant apparaître le film barrière 8 et les fibres textiles sèches de la première nappe 7. Les secondes pièces de structure 2 métallique ont subi une texturation de leurs zones de jonction 4 par impression tridimensionnelle, conformément à la figure 4. L’assemblage de ces pièces 1 et 2 par collage consiste à déposer un joint de colle 5 dans la ou les zones de jonction 3 et 4 de l’une ou des deux pièces 1 et 2, à les presser l’une contre l’autre, en les maintenant en position jusqu’au durcissement du ou des joints de colle 5. Le résultat obtenu est illustré à la figure 9 de manière très agrandie et montre un joint de colle 5 entre les deux pièces 1 et 2, et l’interpénétration des picots 12 de la zone de jonction 4 texturée de la pièce 2 métallique dans les poils 7’ de la zone de jonction 3 texturée de la pièce 1 en matériau composite.
Des essais sur des éprouvettes de cisaillement ont permis de valider à la fois le procédé de collage selon l’invention et son intérêt en termes d’amélioration substantielle des performances mécaniques. Selon des premiers résultats d’essais effectués sur un collage composite sur composite, on note une résistance au cisaillement moyenne de 9 Mpa pour des éprouvettes étalons réalisées avec une colle époxy et une préparation de surface standard (ponçage et dégraissage) contre une moyenne de 14 Mpa pour des éprouvettes embarquant un insert de collage 6 bidimensionnel avec la même colle époxy, soit un gain de 56% de résistance en cisaillement.
H ressort clairement de cette description que l’invention permet d’atteindre les buts fixés, à savoir un procédé de collage simple à industrialiser permettant d’atteindre un haut niveau de performance mécanique, et tout particulière adapté aux assemblages composite/composite et composite/métallique, permettant ainsi de couvrir une large 5 gamme des assemblages du marché.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier.
Claims (23)
1. Procédé de collage structural de pièces de structure dont au moins une première pièce est une pièce en matériau composite et une seconde pièce est une pièce en matériau composite ou une pièce métallique, la ou les pièces en matériau composite étant constituées d’une préforme de renfort à base de fibres imprégnée d’une matrice à base de polymères, les deux pièces de structure étant assemblées entre elles lors d’une opération de collage dans laquelle on dépose un joint de colle dans une zone de jonction déterminée d’au moins une desdites pièces, on presse lesdites pièces l’une contre l’autre et on les maintient en position jusqu’au durcissement dudit joint de colle pour obtenir un assemblage structurel rigide, caractérisé en ce que, préalablement à l’opération de collage, l’on effectue une texturation de surface de la zone de jonction des deux pièces en matériau composite dans un assemblage composite/composite ou d’au moins la pièce en matériau composite dans un assemblage composite/métallique par ajout de matière pour augmenter la surface spécifique de collage desdites zones de jonction, et en ce que, lors de l’opération de collage, lorsque les pièces de structure sont pressées l’une contre l’autre, lesdites zones de jonction se lient intimement entre-elles avec ledit joint de colle pour augmenter leur ancrage mécanique.
2. Procédé de collage structural selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour effectuer une texturation de surface de la zone de jonction de la ou des pièces en matériau composite, l’on fabrique un insert de collage à base de fibres textiles dont la forme et les dimensions sont adaptées à celles de ladite zone de jonction, et en ce que l’on intègre ledit insert de collage à chaque pièce en matériau composite lors de sa fabrication dans un outillage adapté de sorte à orienter ledit insert de collage à l’extérieur de ladite pièce dans ladite zone de jonction pour l’exposer audit joint de colle lors de l’opération de collage.
3. Procédé de collage structural selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour fabriquer ledit insert de collage, l’on réalise un complexe comportant une première nappe de fibres textiles superposée à un film barrière, ladite première nappe de fibres textiles constituant une face extérieure dudit insert de collage agencée pour être orientée à l’extérieur de ladite pièce en matériau composite, et ledit film barrière étant agencé pour isoler la face extérieure dudit insert de collage par rapport à ladite pièce en matériau composite et empêcher l’imprégnation de ladite première nappe de fibres textiles par la matrice dudit matériau composite pour que ces fibres restent sèches.
4. Procédé de collage structural selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’on dimensionne ledit film barrière pour qu’il ait une surface supérieure à la surface de ladite première nappe de fibres textiles afin de créer un rebord périphérique tout autour dudit insert de collage, ce rebord périphérique étant agencé pour coopérer avec un joint d’étanchéité prévu sur ledit outillage adapté.
5. Procédé de collage structural selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’on assemble ledit insert de collage à la préforme de renfort dudit matériau composite par une technique de couture, d’aiguilletage ou de touffetage.
6. Procédé de collage structural selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’on ajoute au complexe formant ledit insert de collage une seconde nappe de fibres textiles superposée audit film barrière à l’opposé de ladite première nappe, ladite seconde nappe de fibres textiles constituant une face intérieure dudit insert de collage agencée pour être orientée à l’intérieur de ladite pièce en matériau composite et imprégnée par la matrice dudit matériau composite.
7. Procédé de collage structural selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’on dimensionne ladite seconde nappe de fibres textiles pour qu’elle ait une surface au moins égale à la surface dudit film barrière.
8. Procédé de collage structural selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l’on réalise ledit film barrière dans des matières thermoplastiques ou thermodurcissables, et en ce que l’on assemble intimement ledit film barrière à ladite première nappe de fibres textiles et/ou ladite seconde nappe de fibres textiles par un procédé de thermocollage, de polymérisation ou de réticulation, sous pression.
9. Procédé de collage structural selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l’on réalise ladite première nappe de fibres textiles et/ou ladite seconde nappe de fibres textiles dans des nappes bidimensionnelles obtenues à partir d’un tissu tissé ou d’un voile non tissé, et/ou dans des nappes en tridimensionnelles obtenues à partir d’un velours lisse ou côtelé, d’un tricot, d’un non-tissé aiguilleté, d’un tissu touffeté, d’un tissu gratté.
10. Procédé de collage structural selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans un assemblage composite/métallique, l’on effectue en outre une texturation de surface de la zone de jonction de ladite pièce en matériau métallique en réalisant un relief tridimensionnel par ajout de matière déposée selon un procédé d’impression tridimensionnelle.
11. Procédé de collage structural selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’on choisit ladite matière à déposer parmi les matières synthétiques et métalliques compatibles avec la matière métallique de ladite pièce à assembler.
12. Procédé de collage structural selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’on effectue la texturation de surface des zones de jonction desdites pièces de structure à assembler en choisissant des motifs de texturation compatibles ou complémentaires.
13. Insert de collage permettant la mise en œuvre du procédé de collage structural selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un complexe pourvu d’une première nappe de fibres textiles superposée à un film barrière, ladite première nappe de fibres textiles constituant une face extérieure dudit insert de collage.
14. Insert de collage selon la revendication 13, caractérisé en ce que la surface dudit film barrière a une surface supérieure à la surface de ladite première nappe de fibres textiles afin de créer un rebord périphérique tout autour dudit insert de collage.
15. Insert de collage selon la revendication 14, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une seconde nappe de fibres textiles superposée audit film barrière à l’opposé de ladite première nappe, ladite seconde nappe de fibres textiles constituant une face intérieure dudit insert de collage.
16. Insert de collage selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite seconde nappe de fibres textiles a une surface au moins égale à la surface dudit film barrière.
17. Insert de collage selon l’une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que ledit film barrière est réalisé dans des matières thermoplastiques ou thermodurcissables, et est assemblé intimement à ladite première nappe de fibres textiles et/ou ladite seconde nappe de fibres textiles par thermocollage, polymérisation ou réticulation, sous pression.
18. Insert de collage selon l’une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé en ce que ladite première nappe de fibres textiles et/ou ladite seconde nappe de fibres textiles sont réalisées dans des nappes bidimensionnelles obtenues à partir d’un tissu tissé ou d’un voile non tissé, et/ou dans des nappes tridimensionnelles obtenues à partir d’un velours lisse ou côtelé, d’un tricot, d’un non-tissé aiguilleté, d’un tissu touffeté, d’un tissu gratté.
19. Outillage pour la fabrication d’une pièce en matériau composite comportant au moins un moule et un contre moule définissant l’empreinte tridimensionnelle de ladite pièce en matériau composite à fabriquer, et permettant la mise en forme d’une préforme de renfort à base de fibres, l’imprégnation de la préforme avec une matrice à base de polymères, puis le durcissement de la pièce ainsi obtenue, caractérisé en ce que ledit outillage est adapté pour la mise en œuvre du procédé de collage selon la revendication 4, et comporte dans ledit moule au moins un évidement dont la forme et les dimensions correspondent à celles de ladite zone de jonction déterminée et dont la profondeur correspond à l’épaisseur dudit insert de collage, et une gorge périphérique disposée autour dudit évidement pour recevoir un joint d’étanchéité destiné à coopérer avec le rebord périphérique dudit insert de collage afin d’isoler sa face extérieure et empêcher l’imprégnation de ladite première nappe de fibres textiles par la matrice pour que ces fibres restent sèches lors de la fabrication de ladite pièce en matériau composite.
20. Assemblage de pièces de structure, dont au moins une première pièce est une pièce en matériau composite et une seconde pièce est une pièce en matériau composite ou une pièce métallique, la ou les pièces en matériau composite étant constituée(s) d’une préforme de renfort à base de fibres imprégnée d’une matrice à base de polymères, les deux pièces de structure étant assemblées par collage au moyen d’un joint de colle dans une zone de jonction déterminée desdites pièces pour obtenir un assemblage structurel rigide, caractérisé en ce que lesdites pièces de structure sont assemblées par un procédé de collage structural selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, en ce que la zone de jonction des deux pièces en matériau composite dans un assemblage composite/composite ou d’au moins la pièce en matériau composite dans un assemblage composite/métallique est texturée par ajout de matière pour augmenter la surface spécifique de collage de chaque zone de jonction, et en ce que les zones de jonction desdites pièces de structure sont liées intimement avec ledit joint de colle pour augmenter leur ancrage mécanique.
21. Assemblage de pièces de structure selon la revendication 20, caractérisé en ce que la zone de jonction de la ou des pièces en matériau composite comporte un insert de collage à base de fibres textiles dont la forme et les dimensions sont adaptées à celles de ladite zone de jonction, ledit insert de collage étant intégré à chaque pièce en matériau composite lors de sa fabrication de sorte à être orienté à l’extérieur de ladite pièce dans ladite zone de jonction pour l’exposer audit joint de colle.
22. Assemblage de pièces de structure selon la revendication 20, caractérisé en ce que la zone de jonction de ladite pièce en matériau métallique est texturée et comporte un relief en tridimensionnelles par ajout de matière déposée selon un procédé d’impression tridimensionnelle.
23. Utilisation d’un assemblage d’au moins deux pièces de structure selon le procédé de collage structural défini dans l’une quelconque des revendications 1 à 12 comme sous-ensemble ou ensemble structurel pour l’aéronautique, l’aérospatiale, le transport, la construction et l’énergie.
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