Exemples de liaisons innovantes dédiées aux assemblages composites et limitations dans le cas de

Des technologies alternatives sont en cours de développement dans le cadre des assemblages composites ou plus largement des assemblages multimatériaux. Il s’agit de technologies pour la plupart en cours de perfectionnement. Leur maturité industrielle n’est donc a priori pas totale.

1.2.1 Le Z-pinning

Ce procédé constitue un outil de choix pour compléter des technologies d’assemblage plus classiques. Ce procédé innovant permet de renforcer mécaniquement des assemblages de stratifiés par des clous. Il est admis que ces matériaux et les liaisons de pièces en composite présentent des faiblesses du point de vue :

 de la résistance aux chocs,  de la tenue aux efforts hors plan,

 des cohésions entre les couches composites et du délaminage.

Dans le cadre de fibres sèches, des solutions comme le tissage, la couture ou le tressage peuvent permettre de palier à ces problèmes. Le Z-pinning se positionne plutôt lorsqu’il s’agit de pré-imprégnés. Ce procédé consiste à introduire des clous métalliques ou en fibre de carbone de faibles diamètres (Ji, Kweon, & Choi, 2014) et (Cartié, Troulis, & Partridge, 2006). Cet ajout de matière renforce mécaniquement la structure. Cette technologie est illustrée sur la Figure 6.

Romain HAMONOU – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique – Ecole Centrale de Nantes 30 Elle est introduite dans les années 80 et publiée dans les travaux de (Tomashevskii, Sitnikov, Shalygin, & Yakovlev, 1989) et (Freitas, Magee, Boyce, & Bott, 1991) qui développent le procédé UAZ® (Ultrasonically Assisted Z-FibreTM). Une analyse approfondie sur ce sujet est proposée dans les travaux de (Mouritz, 2007).

Mécaniquement, le Z-Pinning permet :

 d’accroitre de manière significative la résistance à rupture interlaminaire des composites,  d’augmenter la résistance aux chocs,

 d’améliorer la résistance à la propagation de fissure et de confiner le processus de rupture.

L’augmentation des propriétés hors plan liée à ce procédé est estimée à 50 %, a contrario il implique un abaissement des propriétés élastiques dans le plan de l’ordre de 5 %.

Figure 7 - (a) Photographies de Z-pins sollicités en mode I et (b) défauts créés par la présence des Z-pins (Pegorin, Pingkarawat, Daynes, & Mouritz, 2015). 1.2.2 Les pins CMT

Cette technologie est également assez récente et en cours de développement. Néanmoins, des publications scientifiques sont accessibles dans la littérature dont les travaux de (Ucsnik, Scheerer, Zaremba, & Pahr, 2010) cités dans de nombreux articles correspondant à ce sujet. Dans cette étude, le dépôt des fibres est effectué sur une plaque métallique, celle-ci est texturée de picots à tête sphérique et cylindrique. La résine quant à elle est directement polymérisée au contact du métal.

Figure 8 - Assemblage multimatériaux utilisant des picots pointes sollicités en traction (Joesbury, Ayre, Partridge, Colegrove, & Williams, 2011).

Romain HAMONOU – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique – Ecole Centrale de Nantes 31 Ce type de liaison améliore fortement les performances de l’assemblage lors d’efforts de traction-cisaillement. Dans le cas des travaux de (Ucsnik, Scheerer, Zaremba, & Pahr, 2010) on constate une augmentation de 11 % pour les picots cylindriques et 53 % dans le cas des picots à tête sphérique.

Figure 9 - Illustration de l'amélioration à la tenue mécanique en traction des assemblages utilisant des pins CMT (Ucsnik, Scheerer, Zaremba, & Pahr, 2010).

Celle-ci retarde la décohésion entre les éléments de l’assemblage (effets hors plan) d’où cet écart avec la tenue mécanique des picots cylindriques. La rupture de la tige des picots à tête sphérique confirme cette limitation mécanique hors plan (Figure 9). D’autres études paramétriques sont investiguées. Elles confrontent la tenue mécanique de ces assemblages en fonction de la forme des picots (cylindriques, pointes ou à tête sphérique), de leur nombre et de la disposition des rangées. Toutefois, cette dernière n’est pas du premier ordre quant à la tenue mécanique de ces assemblages. Nous pouvons également citer les travaux de (Paroissien S. , 2016) qui a développé un modèle analytique et numérique en lien avec ces assemblages dans le cadre de liaisons métal/composite thermoplastique. Cette étude reprend les problématiques paramétriques exposées précédemment et intègre le comportement de l’interface CMT par le biais d’éléments cohésifs. Les sollicitations mécaniques ont lieu une nouvelle fois dans le plan de la liaison.

Figure 10 - Simulation numérique d’un assemblage métal/composite thermoplastique par CMT pins (Paroissien S. , 2016). L’image de droite indique l’évolution des contraintes de Von Mises au cours du chargement selon l’axe x.

Romain HAMONOU – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique – Ecole Centrale de Nantes 32 1.2.3 Le rivetage auto-poinçonneur

Il s’agit d’un procédé d’assemblage adapté aux hautes cadences et donc particulièrement utilisé dans l’industrie automobile. Cette technologie est traditionnellement cumulée au collage (Sadowski, Kneć, & Golewski, 2010), (Di Franco & Zuccarello, 2014). L’association de ces deux procédés d’assemblage augmente la tenue mécanique de l’assemblage. La liaison mécanique rivetée permet de mettre en place les pièces à assembler pendant que la colle termine de réticuler afin d’acquérir ses propriétés mécaniques finales. Mécaniquement, le rivetage auto-poinçonneur est avantageux car :

 il est simple et rapide à mettre en œuvre,

 associé à un joint adhésif, il augmente significativement la résistance en cisaillement et en fatigue de la liaison (Sun, Stephens, & Khaleel, 2007),

 il induit peu de contraintes thermiques puisque la procédure est effectuée à froid.

Figure 11 – (a) Distribution de la dureté le long d’une jambe d’un rivet dans un assemblage multimatériaux (Liu, 2016). (b) Simulation du procédé de rivetage auto-poinçonneur (LS-DYNA, 2013).

Néanmoins, ce procédé d’assemblage présente certaines limitations (He, Pearson, & Young, 2008) relatives :

 aux conditions de mise en œuvre qui sont à revoir pour les matériaux composites,  aux limitations géométriques des pièces à assembler (épaisseurs minces),

 Le montage est unilatéral et non démontable et un accès de part et d’autre de la structure est nécessaire.

Le lecteur pourra se reporter aux travaux de (Gay A. , 2015) pour une analyse approfondie sur cette thématique. Ces travaux de thèse traitent de la tenue mécanique de ces liaisons dans le cadre d’assemblage multimatériaux (composite/métal).

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