FR3092022A3 - DISPOSITIF DE FIXATION POUR ASSEMBLER UN MATERIAU COMPOSITE a UN MATERIAU metallique par soudage electrique par resistance - Google Patents

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Abstract

L’invention porte sur un dispositif de fixation (1) présentant une face supérieure (A) et une face inférieure (B), et comprenant une plaque métallique emboutie qui présente deux régions : une première région (2) comportant une pluralité de griffes (20) du côté de la face supérieure (A) et du côté de la face inférieure (B) du dispositif de fixation (1), et une deuxième région (3) comprenant une cuvette (30), ladite cuvette (30) présentant une base plane (31) et au moins une paroi latérale (32), le dispositif de fixation (1) étant destiné à assembler une première pièce en matériau composite à une deuxième pièce en matériau métallique, lorsque la première région (2) est englobée dans la première pièce, et lorsque la base plane (31) de la cuvette (30) est soudée à la deuxième pièce, du côté de la face inférieure (B) du dispositif de fixation (1). Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 a

Description

DISPOSITIF DE FIXATION POUR ASSEMBLER UN MATERIAU COMPOSITE a UN MATERIAU metallique par soudage electrique par resistance
La présente invention concerne un dispositif de fixation destiné à l’assemblage d’un matériau composite à un matériau métallique, par soudage électrique par résistance du dispositif de fixation sur le matériau métallique. Elle concerne plus particulièrement le domaine de l’automobile.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Il est connu, notamment dans le domaine des transports terrestres ou aériens, d’utiliser des assemblages multi-matériaux intégrant aussi bien des composants métalliques tels que l’acier, l’aluminium, le magnésium, que des composants en matériaux composites, de type à matrice et renfort, tels que par exemple des polymères renforcés en fibre de carbone ou fibre de verre. Ces assemblages multi-matériaux répondent aux problématiques d’allègement des véhicules en remplaçant des parties métalliques par des matériaux composites plus légers, dans le but de réduire la consommation d’énergie ou d’améliorer le comportement dynamique du véhicule. Cependant, ces assemblages sont relativement difficiles à mettre en œuvre compte-tenu de la nature différente des matériaux assemblés.
On connait du document FR3065895 un dispositif de fixation d’un matériau composite à un matériau métallique par soudure électrique par résistance. Le dispositif de fixation est composé d’un insert métallique positionné dans une ouverture préalablement formée dans le matériau composite de manière à le traverser complétement pour être en contact avec le matériau métallique. Une électrode de soudage est ensuite appliquée sur l’insert métallique pour réaliser la soudure entre l’insert et le matériau métallique, au niveau de leur point de contact.
OBJET DE L’INVENTION
Un but de l’invention est de proposer une solution alternative à celle de l’état de la technique. L’invention concerne en particulier un dispositif de fixation d’une pièce en matériau composite à une pièce en matériau métallique, la fixation se faisant par soudage électrique par résistance du dispositif de fixation avec la pièce en matériau métallique. Ledit dispositif permettant une fixation simplifiée, économique et robuste des pièces entre elles.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, l’objet de l’invention propose un dispositif de fixation présentant une face supérieure et une face inférieure, et comprenant une plaque métallique emboutie qui présente deux régions : une première région comportant une pluralité de griffes du côté de la face supérieure et du côté de la face inférieure du dispositif de fixation, et une deuxième région comprenant une cuvette, ladite cuvette présentant une base plane et au moins une paroi latérale.
Le dispositif de fixation est destiné à assembler une première pièce en matériau composite à une deuxième pièce en matériau métallique, lorsque la première région est englobée dans la première pièce, et lorsque la base plane de la cuvette est soudée à la deuxième pièce, du côté de la face inférieure du dispositif de fixation.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l’invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
  • la cuvette possède une forme tronconique ;
  • la deuxième région est située à une extrémité de la plaque métallique emboutie ;
  • la plaque métallique emboutie comprend au moins une nervure de renfort, chevauchant une frontière entre la première région et la deuxième région ;
  • la deuxième région présente une surface inférieure à celle de la première région ;
  • les griffes sont formées par poinçonnage de la plaque métallique emboutie.
Selon un autre aspect de l’invention, l’invention propose un assemblage formé d’une première pièce en matériau composite, d’une deuxième pièce en matériau métallique et d’un dispositif de fixation tel que ci-dessus dans lequel : la première région est englobée dans la première pièce ; la base plane est soudée à la deuxième pièce, du côté de la face inférieure du dispositif de fixation.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels :
La figure 1a représente une vue d’ensemble de la face supérieure A d’un dispositif de fixation conforme à l’invention ;
La figure 1b représente une vue d’ensemble de la face supérieure A d’un autre dispositif de fixation conforme à l’invention ;
La figure 2a représente une vue d’ensemble de l’assemblage, conforme à l’invention, selon la face supérieure du dispositif de fixation à l’issue de la première étape de formation de l’assemblage de l’invention ;
La figure 2b représente une vue en coupe d’un autre assemblage, conforme à l’invention, du dispositif de fixation à l’issue de la première étape de formation de l’assemblage de l’invention ;
La figure 3 représente une vue en coupe d’un assemblage utilisant un dispositif de fixation conforme à l’invention ;
La figure 4 représente la deuxième étape de formation de l’assemblage de l’invention.
Par souci de simplification de la description à venir, les mêmes références sont utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction. Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas nécessairement à l’échelle.
Présentation générale du dispositif de fixation
Le dispositif de fixation 1 a pour but d’assembler une première pièce 4 en matériau composite, tel qu’un polymère renforcé en fibre de carbone ou fibre de verre, à une deuxième pièce 5 en matériau métallique, par soudure électrique par résistance. Le dispositif de fixation 1 présente une face supérieure A et une face inférieure B.
Le dispositif de fixation 1 est formé à partir d’une plaque monobloc métallique emboutie. Par « plaque monobloc métallique emboutie » on entend une plaque d’un seul tenant en métal qui a subi une ou plusieurs étapes d’emboutissage, c’est-à-dire des étapes de déformation à froid de la plaque métallique. Cette plaque peut également avoir subi une ou plusieurs étapes de découpe et/ou pliage.
Dans la suite de la description, « plaque monobloc métallique emboutie », « plaque » et « dispositif de fixation » pourront être utilisés de manière équivalente.
La plaque monobloc métallique emboutie 1 présente une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 2,5 mm, préférentiellement entre 1 et 2 mm, sensiblement constante sur toute sa surface. Cette épaisseur correspond à l’épaisseur de la plaque métallique initiale avant l’emboutissage. L’épaisseur des parties embouties peut légèrement diminuer au niveau des zones déformées par l’emboutissage.
Le métal choisi pour la plaque monobloc métallique peut être choisi parmi les métaux ferreux et les aciers.
Les figures 1a et 1b représentent une vue d’ensemble de deux exemples de dispositif de fixation 1 conforme à l’invention.
Le dispositif de fixation 1 présente deux régions. La délimitation entre les deux régions est illustrée par des pointillés sur les figures 1a et 1b. La première région 2 comporte une pluralité de griffes 20 du côté de la face supérieure A et du côté de la face inférieure B du dispositif de fixation 1. La deuxième région 3 comprend une cuvette 30 qui présente une base plane 31 ainsi qu’une paroi latérale 32. De manière avantageuse, la paroi latérale 32 de la cuvette 30 est tronconique.
La première région 2 a pour but d’assurer l’adhésion du dispositif de fixation 1 à la première pièce 4 par le biais des griffes 20. Elle est destinée à être en contact du côté de la face supérieure A et de la face inférieure B du dispositif de fixation 1 avec la première pièce 4. Pour réaliser cela, la première pièce 4 peut être constituée, par exemple, d’un empilement de couches de propriétés similaires, et le dispositif de fixation 1 est disposé entre deux couches afin de l’englober dans la première pièce 4. Cela sera décrit plus en détail par la suite.
Les griffes 20 ont pour but de solidariser le dispositif de fixation 1 à la première pièce 4. Les griffes 20 forment un angle compris entre 20 et 60°, préférentiellement de 45° par rapport à la plaque 1. Parmi les griffes 20, certaines griffes 20 s’étendent au-delà de la face inférieure B du dispositif de fixation 1, et les autres griffes 20 s’étendent au-delà de la face supérieure A du dispositif de fixation 1 de manière à pouvoir traverser au moins partiellement la première pièce 4 qui englobe la première région 2 du dispositif de fixation 1. La surface sur laquelle sont disposées les griffes 20, leur quantité et leur orientation sont optimisées en fonction des performances mécaniques requises.
De manière avantageuse, les griffes 20 sont formées par poinçonnage de la plaque 1. Les griffes 20 ainsi obtenues forment un plan incliné, de préférence de forme triangulaire et relié à la plaque 1 par un seul côté. La formation des griffes 20 par poinçonnage crée des ouvertures 21 dans le plan de la plaque 1 au niveau des griffes 20. Ces ouvertures 21 permettent d’améliorer la solidarisation du dispositif 1 à la première pièce 4 comme cela sera décrit plus loin.
La deuxième région 3 a pour but d’assurer la solidarisation du dispositif de fixation 1 à la deuxième pièce 5 par le biais de la cuvette 30. La deuxième région 3 comprend à minima la cuvette 30 (figures 1b et 2b). La deuxième région 3 est destinée à être soudée à la deuxième pièce 5 du côté de sa face inférieure B au niveau de la base plane 31 de la cuvette 30. La deuxième région 3 doit préférentiellement rester libre de tout contact avec la première pièce 4 du côté de la surface inférieure B et de la surface supérieure A du dispositif de fixation 1 afin de pouvoir réaliser ultérieurement la soudure avec la deuxième pièce 5 en ayant une zone de soudure plane et propre.
De manière avantageuse, la deuxième région 3 est située à une extrémité de la plaque pour, par exemple, faire dépasser la deuxième région 3 en bordure de la première pièce 4 comme cela est visible sur la figure 2a. Plus de détails seront énoncés sur ce point dans la suite de la description.
De manière également avantageuse, la deuxième région 3 présente une surface inférieure à celle de la première région 2. Cela a notamment pour intérêt de placer le point de soudure, constitué par la base plane 31 de la cuvette 30, le plus proche possible du bord de la première pièce 4 tout en conservant une bonne tenue mécanique du dispositif de fixation 1 grâce à la première région 2.
La profondeur de la cuvette 30 est déterminée de telle sorte que la base plane 31 puisse être en contact avec la deuxième pièce 5 lors de l’assemblage de la première pièce 4 et de la deuxième pièce 5 par le biais du dispositif de fixation 1. La profondeur de la cuvette 30 est donc préférentiellement supérieure ou égale à l’épaisseur de la portion de première pièce 4 située entre la face inférieure B du dispositif 1 et la deuxième pièce 5.
Les dimensions internes de la cuvette 30 sont préférentiellement choisies de manière à laisser un jeu suffisant avec les dimensions latérales ou le diamètre de l’électrode 6a qui sera utilisée pour la soudure. Cela a pour effet de réduire de possibles risques de court-circuit en évitant que l’électrode 6a ne soit en contact avec la paroi latérale 32, notamment lors du positionnement de ladite électrode 6a dans la cuvette 30.
De manière avantageuse, la plaque 1 comprend au moins une nervure de renfort 33, chevauchant une frontière entre la première région 2 et la deuxième région 3. Cette nervure de renfort 33 a pour but d’améliorer la résistance à la déformation, notamment au pliage, du dispositif de fixation 1 dans une direction perpendiculaire à la surface de la plaque 1. Cela est tout particulièrement utile dans le cas illustré sur la figure 2a, où la deuxième région 3 dépasse de la première pièce 4, afin de limiter les risques de pliage au niveau de la jonction avec la première pièce 4, à la limite entre la première région 2 et la deuxième région 3. La présence de cette nervure de renfort 33 permet donc d’envisager différentes géométries de la deuxième région 3, notamment au niveau de sa largeur et de sa longueur, tout en prévenant les risques de déformation.
De manière avantageuse, les nervures de renfort 33 sont formées par emboutissage. De manière également avantageuse, les nervures de renfort 33 sont disposées par paire, de part et d’autre de la cuvette 30 tel que cela est représenté sur la figure 1a.
Assemblage utilisant un dispositif de fixation conforme à l’invention
La figure 3 représente une vue en coupe d’un assemblage comprenant un dispositif de fixation 1 conforme à l’invention, et comprenant une première pièce 4 ainsi qu’une deuxième pièce 5. Pour réaliser cet assemblage, plusieurs étapes sont nécessaires. Il faut, dans une première étape, solidariser le dispositif de fixation 1 à la première pièce 4, cela peut être réalisé en une ou plusieurs sous-étapes suivant la technique employée. Dans une deuxième étape, le dispositif de fixation 1 est ensuite solidarisé à la deuxième pièce 5.
Initialement, la première pièce 4 n’est pas composite, elle est uniquement composée de fibres, plus particulièrement d’un empilement d’au moins deux couches de fibres, tel que des fibres de carbone ou de verre, on parlera de première pièce préliminaire. La première pièce préliminaire deviendra ultérieurement la première pièce 4 en matériau composite par l’injection d’une matrice durant la première étape.
La première étape réalisée par une technique de moulage par injection, tel que par exemple, un moulage par injection basse pression de résine, connu sous l’acronyme « RTM » (pour « Resin Transfer Molding ») ou un moulage par injection et infusion de résine, connu sous l’acronyme « LCM » (pour « Liquid Compression Molding »).
Une première sous-étape consiste à intégrer la première région 2 du dispositif de fixation 1 à la première pièce 4. Cette intégration s’opère du côté de la face inférieure B et de la face supérieure A du dispositif de fixation 1.
Le dispositif de fixation 1 est disposé entre au moins deux couches de fibres formant la première pièce préliminaire, de manière à ne recouvrir que la première région 2. Il existe plusieurs façons de faire cela.
On peut, par exemple, disposer le dispositif de fixation 1 de manière à faire dépasser la deuxième région 3 de la première pièce 4 en adaptant si besoin, par le biais d’un découpage, la forme des bords de la première pièce composite pour éviter d’englober la deuxième région 3, tel que cela est représenté sur la figure 2a.
On peut également envisager que la deuxième région 3 se situe en bordure de la première pièce 4 composite et n’en dépasse pas, comme cela est représenté sur la figure 2b. Dans cet exemple, la deuxième région 3 est uniquement constituée de la cuvette 30 et des ouvertures doivent être formées dans les couches de fibres de la première pièce préliminaire, avant de disposer le dispositif de fixation 1 entre les couches de fibres, de manière à exposer la deuxième région 3 au niveau de la face inférieure B et de la face supérieure A du dispositif de fixation 1. La présence de nervures de renfort 33 n’est pas nécessaire car le dispositif de fixation 1 ne dépasse pas de la première pièce préliminaire et il n’y a donc pas de zone susceptible de subir un pliage.
Ces dispositions ont l’avantage d’améliorer la compacité globale de l’assemblage ainsi que de réduire la quantité de matériel utilisé ce qui réduit le poids de l’assemblage, notamment en réduisant la quantité de matériau composite nécessaire.
Lors de la première sous-étape, une force en compression peut être appliquée pour rapprocher les couches de fibres de la première pièce composite de la première région 2 du dispositif de fixation 1, afin de faire pénétrer les griffes 20 dans les couches de fibres pour initier la solidarisation.
Dans une deuxième sous-étape, une matrice, préférentiellement composée d’un matériau thermodurcissable, tel que de l’époxy, est injectée dans les couches de fibres de la première pièce préliminaire pour former la première pièce 4 en matériau composite en comblant les espaces entre les fibres pour assurer sa cohésion. Elle va également combler les ouvertures 21 au niveau des griffes 20 permettant ainsi de solidariser le dispositif de fixation 1 à la première pièce 4. La deuxième région 3 reste libre de toute matrice du côté de la face supérieure A et de la face inférieure B du dispositif de fixation 1. Cela est par exemple obtenu en disposant des éléments d’étanchéité (joints) dans le moule servant à l’injection de la matrice, pour éviter l’infiltration de matrice sur les zones que l’on souhaite garder libres.
Dans une deuxième étape, représentée sur la figure 4, la deuxième région 3 du dispositif de fixation 1 est soudée, au niveau de la base plane 31 de la cuvette 30, à la deuxième pièce 5.
Pour cela, la première pièce 4, munie du dispositif de fixation 1, est déposée sur la deuxième pièce 5 de manière à mettre la base plane 31 en contact avec la deuxième pièce 5, du côté de la face inférieure B du dispositif de fixation 1. Ensuite, une première électrode 6a est disposée dans la cuvette 30, du côté de la face supérieure A du dispositif 1, en contact avec la base plane 31. Une deuxième électrode 6b est disposée contre la deuxième pièce 5 en vis-à-vis de la première électrode 6a, de manière à ce que la base plane 31 et la deuxième pièce 5 soient comprises entre les deux électrodes 6a et 6b. Un courant électrique est appliqué entre la première électrode 6a et la deuxième électrode 6b pour fusionner par résistance la base plane 31 à la deuxième pièce 5. Une force est également appliquée tendant à rapprocher les deux électrodes et donc à presser la base plane 31 contre la deuxième pièce 5, pour favoriser la fusion.
A l’issue de cette deuxième étape, la première pièce 4 est prise en sandwich entre le dispositif de fixation 1 et la deuxième pièce 5, ce qui assure la bonne tenue mécanique de l’assemblage. Les griffes 20 permettent de maintenir la première pièce 4 en sandwich entre le dispositif de fixation 1 et la deuxième pièce 5.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au(x) mode(s) de mise en œuvre décrit(s) et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.

Claims (7)

  1. Dispositif de fixation (1) présentant une face supérieure (A) et une face inférieure (B), et comprenant une plaque métallique emboutie qui présente deux régions :
    - une première région (2) comportant une pluralité de griffes (20) du côté de la face supérieure (A) et du côté de la face inférieure (B) du dispositif de fixation (1),
    - et une deuxième région (3) comprenant une cuvette (30), ladite cuvette (30) présentant une base plane (31) et au moins une paroi latérale (32),
    le dispositif de fixation (1) étant destiné à assembler une première pièce (4) en matériau composite à une deuxième pièce (5) en matériau métallique, lorsque la première région (2) est englobée dans la première pièce (4), et lorsque la base plane (31) de la cuvette (30) est soudée à la deuxième pièce (5), du côté de la face inférieure (B) du dispositif de fixation (1).
  2. Dispositif de fixation (1) selon la revendication précédente dans lequel la cuvette (30) possède une forme tronconique.
  3. Dispositif de fixation (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel la deuxième région (3) est située à une extrémité de la plaque métallique emboutie.
  4. Dispositif de fixation (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel la plaque métallique emboutie comprend au moins une nervure de renfort (33), chevauchant une frontière entre la première région (2) et la deuxième région (3).
  5. Dispositif de fixation (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel la deuxième région (3) présente une surface inférieure à celle de la première région (2).
  6. Dispositif de fixation selon l’une des revendications précédentes dans lequel les griffes (20) sont formées par poinçonnage de la plaque métallique emboutie.
  7. Assemblage formé d’une première pièce (4) en matériau composite, d’une deuxième pièce (5) en matériau métallique et d’un dispositif de fixation (1) conforme à l’une des revendications 1 à 6 dans lequel :
    - la première région (2) du dispositif de fixation (1) est englobée dans la première pièce (4) ;
    - la base plane (31) du dispositif de fixation (1) est soudée à la deuxième pièce (5), du côté de la face inférieure (B) du dispositif de fixation (1).
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