Assemblage m´ecanique
La jonction m´ecanique est l’ajout de pi`eces m´ecaniques pour r´ealiser la jonction. Ces pi`eces peuvent ˆetre des agrafes, des inserts, des vis, des rivets . . . La jonction est par cons´equent obtenue `a l’aide de l’accrochage m´ecanique entre les renforts des deux tronc¸ons `a joindre.
Ce type de jonctions est tr`es utilis´e pour des bandes de faibles largeurs et transmettant de faibles efforts. Il existe les syst`emes d’agrafes articul´ees (avec axes) et les syst`emes d’agrafes
`a plaque non articul´ee (FIGURE 1.5). Ils sont r´ecemment int´egrer dans les domaines de r´ealisation des jonctions de bande et ayant les particularit´es de faciliter le d´emontage sur site, il suffit de retirer simplement l’axe de jonction pour le cas des agrafes articul´ees. De mˆeme pour le cas de montage, il suffit d’ins´erer l’axe de jonction.
FIGURE 1.5 – Syst`emes d’assemblages m´ecaniques des bandes de convoyeurs avec des agrafes (a) syst`eme d’agrafes articul´es (b) syst`eme d’agrafes `a plaques non articul´es (c) mon-tage sur site de la jontion d’une bande par le syst`eme d’agrafes.
Assemblage par des joints adh´esifs
Le collage par des joints adh´esifs est l’un des premi`eres techniques d’assemblage d’une structure utilis´ee par l’homme. La notion de colle structurale apparaˆıt en 1940. Les ´etudes en-treprises sur les collages caoutchouc-m´etal et bois-m´etal et la mise au point des polyur´ethanes et des colles ph´enoliques impulsent le d´eveloppement des techniques de collage m´etal-m´etal.
Ces colles, qui permettent une tr`es grande r´esistance, commencent `a ˆetre utilis´ees dans la construction des avions. Les r´esines ´epoxy (permettant d’effectuer des collages sous faible pression) et les polym`eres silicones (utilis´es soit pour coller, soit pour jouer un simple rˆole de joints d’´etanch´eit´e et/ou de dilatation thermique) sont d´ecouverts `a la mˆeme ´epoque [24].
Le collage offre de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles et il est d´esormais utilis´e dans pratiquement tous les secteurs de l’industrie : l’emballage, le bˆatiment, le bois, l’´electrom´enager, la chaussure, le textile, l’´electronique, l’automobile, l’a´eronautique. . . et bien ´evidemment pour l’assemblage sur site des bandes transporteuses. Le collage est par-faitement adapt´e `a l’assemblage de mat´eriaux diff´erents, de mat´eriaux fragiles ou encore de mat´eriaux minces. Dans le Tableau 1.1, une comparaison entre les avantages et les in-conv´enients de la technique d’assemblage par collage est parfaitement d´ecrite.
AVANTAGE INCONVENIENTS - R´epartition plus r´eguli`ere des contraintes, - Contrˆole difficile au niveau bonne tenue en fatigue, bonnes propri´et´es de l’´epaisseur et la qualit´e du joint.
d’amortissement des vibrations.
- ´Etanch´eit´e des joints coll´es : isolation - Faible r´esistance `a la chaleur
´electrique, thermique, magn´etique.
- Gain important en termes d’encombrement : - Le joint est non d´emontable.
possibilit´e d’assembler des mat´eriaux
de nature, d’´epaisseur et de forme diff´erentes.
- Possibilit´e d’utilisation du collage avec - Temps de polym´erisation long.
d’autres m´ethodes d’assemblages.
- Possibilit´e d’utilisation du collage avec - Faible r´esistance au pelage, n´ecessit´e d’autre m´ethodes d’assemblages de travailler en cisaillement.
- ´Elasticit´e des joints coll´es. - D´egradation importante en pr´esence de solvants ou agents d’oxydation.
- Meilleure r´esistance aux couples transmis - La maˆıtrise des proc´ed´es de traitement pour l’assemblage de pi`eces en rotation. de surface avant collage est n´ecessaire.
- Meilleure esth´etique de l’assemblage - La conception du joint et le choix de l’adh´esif sont complexes.
- All`egement des structures : pas de - Sensible aux UV et `a l’eau.
modification des propri´et´es physiques des substrats.
Tableau 1.1 – Points forts et limites du collage.
Le choix d’un adh´esif pour une application donn´ee reste complexe en raison du nombre tr`es important de produits sur le march´e et de la diversit´e des applications. Il est donc n´ecessaire de bien analyser le cahier de charges de l’assemblage afin de d´ecerner tous les crit`eres de choix et de d´eterminer la famille d’adh´esifs susceptibles de convenir. Les crit`eres suivants doivent notamment ˆetre pris en compte :
- La compatibilit´e de l’adh´esif avec les mat´eriaux `a coller, - Les temp´eratures minimales et maximales d’utilisation,
- L’environnement de l’assemblage ( presence d’huile, de carburant, d’humidit´e. . . ), - Les sollicitations m´ecaniques,
- Assemblages de surfaces souples, - Assemblage par adh´esion,
- L’adaptation entre la rugosit´e du substrat et la rh´eologie de l’adh´esif, - Les conditions de durcissement (temp´erature, temps de prise, pression. . . )
Il existe quatre principaux types de collage : le collage en bout, le collage par recouvre-ment, le collage mixte (en bout et par recouvrement) et le collage selon la structure nids d’abeilles. La FIGURE 1.6 pr´esente les diff´erentes formes possibles de joints adh´esifs ap-pliqu´ees lors de collage.
FIGURE 1.6 – Principaux assemblages en bout, par recouvrement et mixte.
L’usage de ces diff´erentes formes de joints est fonction de l’application envisag´ee et de son tenue aux efforts m´ecaniques impos´es : le collage en bout (1 et 4) ne supporte pas d’im-portants efforts m´ecaniques alors que le collage par recouvrement (2, 3,5 et 11 dans la FI-GURE 1.6) est beaucoup plus r´esistant que le pr´ec´edent. Le collage mixte (6, 7, 8, 9, 10) est utilis´e pour confectionner des structures complexes. Dans l’application de la mise en service des bandes transporteuses, on utilise souvent le joint biseaut´e en bout ou le joint en escalier (`a mi ´epaisseur) qui offrent une r´epartition ad´equate des contraintes dans le cas de chargement en traction.
1.2.3 Endommagement des structures composites
L’endommagement d’un mat´eriau est un processus irr´eversible qui se traduit par l’appari-tion de d´efauts locaux. Contrairement aux mat´eriaux m´etalliques, pour lesquels l’endomma-gement d´epend du charl’endomma-gement impos´e, les composites pr´esentent toujours les mˆemes endom-magements. Sous chargement m´ecanique, l’apparition de l’endommagement se traduit par une perte de la rigidit´e initiale du mat´eriau. La M´ecanique Continue de l’Endommagement consid`ere les effets de ces d´egradations au niveau macroscopique. Cette th´eorie repose sur une vision diffuse de l’endommagement au sein du mat´eriau, contrairement `a la m´ecanique
de la rupture qui s’int´eresse `a un d´efaut discret d´efini par une g´eom´etrie bien d´etermin´ee.
Elle s’inscrit dans le cadre de la M´ecanique des Milieux Continus. Les fondements de cette th´eorie ont ´et´e introduits par Kachanov [25] et Rabotnov [26] pour les mat´eriaux m´etalliques.
Depuis lors, des travaux ont ´et´e men´es sur une vari´et´e de mat´eriaux m´etalliques ou compo-sites [27–29]. Dans le cas des bandes transporteuses qui sont souvent soumises `a des char-gements importants aux points d’alimentation et de transfert des produits transport´es, des endommagements peuvent ˆetre observ´es soient sur le revˆetement en caoutchouc ou dans la carcasse textile porteuse de la bande.
Approche multi ´echelle de l’endommagement
La bande en mat´eriau composite structurale multi ´echelle ( FIGURE 1.7). On peut en effet distinguer l’´echelle microscopique (fibre/matrice), l’´echelle m´esoscopique (torons de fibres/matrice) et l’´echelle macroscopique (cellule ´el´ementaire). La mod´elisation du mat´eriau peut donc se faire `a ces diff´erentes ´echelles ou bien en ´etablissant un lien direct par ho-mog´en´eisation entre celles-ci.
FIGURE1.7 – Approche multi´echelle et approche macroscopique [1].
En effet, il n’existe pas de m´ecanisme unique mais plusieurs types de d´egradations diff´erentes par leur nature et leur mode de d´eveloppement, on distingue suivant les diff´erentes ´echelles de la mod´elisation des mat´eriaux -FIGURE 1.8) :
- A l’´echelle microscopique : des ruptures d’adh´erence entre les fibres et la matrice (d´ecoh´esion fibres/matrice) ou de porosit´e, - A l’´echelle m´esoscopique, ou ´echelle du pli, on observe des fissures intra/laminaires transverses (perpendiculaires `a la direction des solli-citations) ou longitudinales (dans la direction de l’application de l’effort) et des ruptures de fibres au stade extrˆeme de la ruine du mat´eriau, - A l’´echelle macroscopique, on observe le
ph´enom`ene de d´elaminage qui correspond `a une s´eparation locale entre deux couches li´ees
`a une concentration importante des contraintes en cisaillement s’amorc¸ant g´en´eralement aux bords libres de la structure.
FIGURE 1.8 – Principaux endommagements dans un mat´eriau composite [2].
D’apr`es les statistiques r´ealis´ees dans le cadre de la recherche de l’origine de d´eclenchement de l’endommagement, il en r´esulte que le d´elaminage pendant les phases d’usinage ou lors des chocs avec des outils ou d’autres pi`eces des assemblages. Si on s’int´eresse plus largement aux endommagements que l’on retrouve sur des pi`eces composites, on retrouve plusieurs types de domages li´es `a la complexit´e de ces mat´eriaux (FIGURE.1.9). En effet, il existe plusieurs sc´enarios d’endommagements li´es `a la complexit´e des mat´eriaux composites (FIGURE.1.9).
Ces diff´erentes situations, sont tr`es vari´ees compar´ees aux dommages que l’on peut trouver sur les mat´eriaux m´etalliques.
FIGURE 1.9 – Diff´erents types de dommages rencontr´es sur pi`eces composites [2].
1.2.4 M´ethodes de r´eparation des composites structuraux
Les conditions du milieu ext´erieur et les sollicitations m´ecaniques d’une structure en mat´eriaux composites sont souvent les sources de nombreux dommages ce qui implique le devoir de d´evelopper des solutions simples, peu coˆuteuses en termes de proc´ed´e de r´eparation et rapides dans le but de r´eduire le temps d’immobilisation de la structure.
Les premiers travaux connus relatifs aux r´eparations des composites sont r´ealis´es par R. Jones et al. en 1979, Jones [30], qui proposent une r´eparation grˆace au collage d’un patch composite sur les fissures observ´ees sur structures m´etalliques. D’apr`es Baker et al, la DSTO (Defence Science and Technology Organisation) australienne a men´e des recherches sur ces r´eparations depuis le d´ebut des ann´ees 70. Ils soul`event un certain nombre de probl`emes que pose ce type de r´eparation comme la taille des patchs, la forme des patchs, l’´epaisseur de la colle, la qualit´e de la colle, le proc´ed´e de collage, la pr´eparation des surfaces, etc.
Ces ´etudes pointues et on´ereuses n’auraient pu ˆetre men´ees sans le concours des institutions gouvernementales et ainsi, les premiers domaines d’utilisations des composites ont surtout
´et´e d´evelopp´es pour des applications militaires [3]. En revanche, la criticit´e du dommage impose l’existence de diff´erentes techniques de r´eparations qui sont d´ecrites par Falzon [31]
suivant un processus bien d´etermin´e (FIGURE 1.10).
FIGURE1.10 – Processus de r´eparation.
R´eparation par rivetage / collage
Dans les parties pr´ec´edentes, Nous avons montr´e que le dommage par d´elaminage ´etait une des causes principales de la d´egradation des propri´et´es m´ecaniques des mat´eriaux com-posites et en particulier en compression, des travaux de recherches ont ´et´e fond´e pour d´efinir des solutions pratiques `a fin de limiter la propagation de ces d´elaminages. Les travaux de Li [32] proposent une m´ethode simple pour riveter la zone d´elamin´ee, grˆace `a cette technique simple, Li montre que 93% de la contrainte `a la rupture en compression peut ˆetre restaur´ee sans faire intervenir de collage. Afin de restituer compl`etement les propri´et´es m´ecaniques, une solution hybride au rivetage et au patch coll´e est propos´ee par Eurocopter [3] pour des r´eparations in situ. Elle consiste `a r´ealiser des feuilles de composite (r´eticul´ee), et `a d´ecouper ces ”feuilles” pour obtenir les plis du patch que l’on vient ensuite riveter avec un film de colle entre chacune d’elles.
FIGURE1.11 – Solution hybride de patch rivet´e/coll´e d’Eurocopter [3].
Cette solution est simple `a mettre en œuvre et assez rapide, en revanche, elle repr´esente un surpoids important et la g´eom´etrie des pi`eces est modifi´ee. De ce fait, elle est particuli`erement adapt´ee aux applications h´elicopt`eres, et moins aux avions o`u les propri´et´es a´erodynamiques sont primordiales.
R´eparation par ”saignement”
Cette technique repose sur le remplissage des fibres creuses par une r´esine de r´eparation.
Une fois la technologie est mise au point, le principe de cette r´eparation est simple : le mat´eriau ´etant endommag´e (fibres creuses rompues), la r´esine s’´etale dans la zone alt´er´ee et
”re-colle” l’ensemble des fissures . C’est de l’auto cicatrisation ou self-healing. Des travaux de recherches ont ´et´e fond´es sur ce principe `a savoir les travaux de Pang [33] et Williams [34]
qui ont r´ealis´e leurs ´etudes sur l’auto r´eparation et obtiennent de tr`es bons r´esultats en termes de propagation de la r´esine de r´eparation dans les fissures et de restitution des propri´et´es m´ecaniques. Une autre application a ´et´e d´evelopp´ee par White [35] qui consiste `a l’utilisa-tion de sph`eres creuses pour contenir la r´esine de r´eparal’utilisa-tion. Celles-ci sont dispers´ees dans la r´esine de r´eparation et se rompent lors de la fissuration matricielle. L’application de cette
technique est limit´ee par le surpoids et la baisse des qualit´es m´ecaniques du mat´eriau d’ori-gine. De plus, elle ne peut se faire qu’une fois. Si un dommage apparaˆıt sur une zone d´ej`a r´epar´ee, une r´eparation classique devra ˆetre envisag´ee.
R´eparation par injection
La technique de r´eparation par injection se d´eroule en trois ´etapes : la 1´ere phase consiste
`a pratiquer des trous dans la plaque pr´ealablement impact´ee afin d’acc´eder aux endomma-gements pour la r´eparation. Ensuite, une injection de r´esine dans le r´eseau de fissures est r´ealis´ee avec une pression de 7bar. Finalement, une cr´eation du vide autour de l’´eprouvette favorise le d´egasage de bulles d’air pour ´eviter les porosit´es.
R´eparation par collage
Grabovac et Whittaker [36] ont utilis´e les patchs composites pour la r´eparation des grands bateaux m´etalliques. Ils ont d´evelopp´e une m´ethodologie de r´eparation par patch en respec-tant plusieurs conseils pratiques pour la conception de r´eparation .
a) R´eparation par recouvrement ext´erieur
La technique de r´eparation par recouvrement consiste `a coller un patch de r´eparation sur l’une ou les deux faces de la structure. Diff´erentes g´eom´etries de patch peuvent ˆetre utilis´ees : circulaire, carr´e, rectangulaire, hexagonale, elliptique, etc. La forme est choisie selon la taille et l’´etendue de l’endommagement.
FIGURE 1.12 – R´eparation par recouvrement ext´erieur [4].
b) R´eparation par remplissage de la zone endommag´ee
Le principe de la r´eparation par remplissage de la zone endommag´ee est de pr´eparer en premier temps la partie endommag´ee en r´ealisant un angle biseaut´e de 2 `a 3 (FIGURE 1.13) ou une surface en escalier (FIGURE 1.14) afin de garantir une bonne adh´esion, ensuite de remplir la partie enlev´ee couche par couche. Finalement d’appliquer un cycle de cuisson afin de polym´eriser l’ensemble de la structure. Cette m´ethode produit de bonnes performances m´ecaniques et permet de restituer la structure initiale. En revanche, le processus de r´eparation
peut ˆetre long et difficile. Des comp´etences techniques qualifi´ees sont demand´ees pour ga-rantir la r´eussite de la r´eparation.
FIGURE 1.13 – Principe de la r´eparation biseaut´e [5].
FIGURE1.14 – Principe de la r´eparation en escalier [5].
1.2.5 Optimisation des joints adh´esifs au sein des structures assembl´ees
Facteurs influant la r´esistance des joints
Il est connu que les joints coll´es fournissent une r´epartition de contraintes plus uni-forme que les fixations m´ecaniques. Cependant, il existe encore des points o`u des contraintes de pointe peuvent se produire, entraˆınant une d´efaillance pr´ematur´ee de l’adh´esif et une r´eduction de la r´esistance du joint. Les principaux aspects qui affectent la r´esistance des joints adh´esifs sont les propri´et´es m´ecaniques de l’adh´esif et des adh´erentes et la g´eom´etrie de la joint [6].
a) Propri´et´es de l’adh´esif
Les propri´et´es m´ecaniques de l’adh´esif qui affectent la r´esistance de la jonction sont prin-cipalement la r´esistance, la rigidit´e et la ductilit´e. Les adh´esifs sont g´en´eralement fragile et rigide, par cons´equent, ils sont fortement soumises `a une concentration de contrainte, condui-sant `a une contrainte moyenne `a faible [6]. D’autre part, les adh´esifs ductiles peuvent four-nir une distribution de contraintes plus uniforme, mais ne sont pas aussi r´esistants que les
adh´esifs fragiles. En raison des propri´et´es d’amortissement plus ´elev´ees des adh´esifs duc-tiles, ils sont ´egalement plus r´esistants `a la propagation des fissures, ce qui les rend plus r´esistants aux cycles de fatigue.
FIGURE1.15 – Distribution de contrainte dans les adh´esifs rigide et flexible [6].
.
b) Propri´et´es des adh´erents
Les principales propri´et´es des adh´erents qui affectent la r´esistance des joints adh´esifs sont la rigidit´e et la r´esistance. Plus la flexibilit´e des adh´erents est ´elev´ee, plus la d´eformation dans la zone du recouvrement est importante, ce qui entraˆıne un joint plus faible [6]. D’autre part, si des adh´erents m´etalliques faibles sont utilis´es, une d´eformation plastique dans le bord du recouvrement peut se produire, provoquant une d´efaillance pr´ematur´ee de l’adh´esif [6]. .
FIGURE1.16 – D´eformation des adh´erents.
Si des mat´eriaux orthotropes sont utilis´es, tels que CFRP, il faut tenir compte de la r´esistance transversale du mat´eriau (dans l’´epaisseur). Il est recommand´e que les couches ext´erieures du composite soient align´ees avec le chargement, sinon elles risquent d’´echouer d’une mani`ere inter laminaire en pr´esence de la contrainte de pelage. Afin de r´eduire la contrainte de pelage, la rigidit´e devrait ˆetre r´eduite localement aux bords de la zone de recouvrement.
FIGURE1.17 – D´efaillance inter laminaire des adh´erents CFRP [7].
.
c) Epaisseur de l’adh´esif
Les mod`eles classiques tels que ceux de Volkersen (1938) ou de Goland et Reissner(1944) ne tenant pas compte de la plasticit´e de l’adh´esif, pr´evoient que la r´esistance du joint aug-mente avec l’´epaisseur de l’adh´esif. Cependant, les r´esultats exp´erimentaux montrent que l’´epaisseur optimale de la couche d’adh´esif est comprise entre 0,1 et 0,2 mm [7, 37]. Pour comprendre cela, certains auteurs ont propos´e des explications.
Adams et Peppiatt [38] confirment que les joints plus ´epais pr´esentent plus de d´efauts, tels que les micro vides et les microfissures et que ceux-ci sont responsables de la r´eduction de la r´esistance dans les joints simple recouvrement.
Bigwood et Crocombe [39, 40] montrent que les joints les plus minces ont une plus grande r´esistance compte tenu de la plasticit´e de l’adh´esif. Les joints les plus ´epais ont une r´epartition de contraintes plus uniforme que les joints plus fins. Cependant, lorsque la d´eformation se produit, les couches adh´esives les plus minces ont plus de ”r´eserve ´elastique”, ce qui pro-voque une d´eformation plus lente et augmente la r´esistance du joint.
Da Silva et al. [37] ont distingu´e deux types de plastification qui peuvent apparaˆıtre dans les joints simple recouvrement avec des adh´esifs ductiles : la plastification localis´ee (apparaˆıt dans les points singuliers et n’affecte pas la courbe contrainte-d´eformation) et la plastifica-tion globale (apparaˆıt `a un stade tardif du test et change la pente de la courbe contrainte-d´eformation). Da Silva et al. ont constat´e que dans les joints `a faible ´epaisseur, la plastifica-tion localis´ee se produit plus tˆot et la plastificaplastifica-tion globalis´ee se produit plus tard que dans les joints d’´epaisseur ´elev´ee. Cela aide `a expliquer pourquoi les joints `a faible ´epaisseur sont g´en´eralement plus utilis´es que les joints d’´epaisseur ´elev´ee.
Da Silva et al. [37] ont distingu´e deux types de plastification qui peuvent apparaˆıtre dans les joints simple recouvrement avec des adh´esifs ductiles : la plastification localis´ee (apparaˆıt dans les points singuliers et n’affecte pas la courbe contrainte-d´eformation) et la plastifica-tion globale (apparaˆıt `a un stade tardif du test et change la pente de la courbe contrainte-d´eformation). Da Silva et al. ont constat´e que dans les joints `a faible ´epaisseur, la plastifica-tion localis´ee se produit plus tˆot et la plastificaplastifica-tion globalis´ee se produit plus tard que dans les joints d’´epaisseur ´elev´ee. Cela aide `a expliquer pourquoi les joints `a faible ´epaisseur sont g´en´eralement plus utilis´es que les joints d’´epaisseur ´elev´ee.