Optimisation des joints adh´esifs au sein des structures assembl´ees

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1.2 Les bandes transporteuses

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].

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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].

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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.

d) Longueur de recouvrement (Overlap Length)

Dans les joints simple recouvrement, le maximum de contrainte se produit aux bords de la zone de recouvrement. En cas de rupture, les points de concentration des contraintes sont sous la contrainte maximale alors que les points qui se trouvent `a proximit´e de la moiti´e de la lon-gueur de recouvrement sont les moins-charg´es [41], surtout si l’adh´esif est rigide et fragile.

Cela signifie que la zone totale du recouvrement n’est pas totalement efficace. Ce ph´enom`ene

devient plus critique si le recouvrement est long. Dans ce cas, la contrainte peut mˆeme deve-nir nulle, ce qui signifie que si la longueur est encore augment´ee, aucune am´elioration ne sera obtenue dans la zone de charge et, par cons´equent, sur la r´esistance du joint [41] (FIGURE 1.18). Ceci devient critique si des adh´esifs fragiles sont utilis´es. Si l’adh´esif est tr`es ductile, la r´esistance du joint est approximativement proportionnelle `a la longueur de recouvrement, car elle a la capacit´e de se d´eformer et de redistribuer la contrainte uniform´ement `a mesure que la charge augmente [6].

FIGURE1.18 – Distribution de contrainte dans un joint simple recouvrement [8].

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Techniques d’am´elioration de la r´esistance des joints a) Spew Fillets

La spew est la portion d’adh´esif qui est expuls´ee du recouvrement lorsque les deux sub-strats sont assembl´es (FIGURE 1.19). Il est connu que la concentration des contraintes dans l’interface adh´erent-adh´esive est r´eduite avec l’inclusion de ces spew dans la joint [42]. La r´eduction du facteur de concentration des contraintes est fonction de la ductilit´e de l’adh´esif et des propri´et´es des adh´erends ainsi que de la g´eom´etrie de la spew [6, 43].

FIGURE 1.19 – Spew fillets triangulaire [8].

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Plusieurs g´eom´etries ont ´et´e test´ees par Lang et Mallick [43], y compris triangulaire, pleine triangulaire, carr´ee, semi-arrondie, pleine arrondie, pleine arrondie avec filet, ovale et arc.

Bien que cette m´ethode soit efficace pour am´eliorer la r´esistance des joints adh´esifs, afin de

cr´eer des spew fillets, plusieurs ´etapes de fabrication sont n´ecessaires, augmentant ainsi le coˆut du processus de collage. L’utilisation de cette technique peut ´egalement cr´eer plus de contraintes thermiques lorsqu’elle est utilis´ee `a basse temp´erature [6].

b) Formage adh´erent

Le formage adh´erent peut r´eduire la concentration des contraintes aux bords du recouvre-ment, renforc¸ant le joint (FIGURE 1.20). Si la rigidit´e du joint dans les points de concentra-tion des contraintes est r´eduite, une r´eparticoncentra-tion plus uniforme des contraintes peut ˆetre obte-nue [6, 7]. Cette technique peut ´egalement ˆetre combin´ee avec l’utilisation des spew fillets.

Des techniques de mise en forme adh´erentes, telles que des ailettes internes ou externes, sont efficaces pour r´eduire la contrainte de pelage dans les joints adh´esifs. Ceci est tr`es impor-tant surtout lorsque les adh´erents FRP sont utilis´es [7], car leur r´esistance transversale ou leur r´esistance aux contraintes du pelage sont tr`es faibles. En raison de son coˆut ´elev´e, cette technique n’est souvent pas possible d’ˆetre utilis´ee.

FIGURE1.20 – Diff´erents formage des adh´erents [6].

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c) Arrondissement d’adh´erent

Si les angles d’adh´erents sont arrondis (FIGURE 1.21), la contrainte dans les points o`u le facteur de concentration des contraintes est infini peut ˆetre r´eduite, ce qui augmente la r´esistance du joint.

FIGURE1.21 – Arrondissement d’adh´erent [6].

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Cet effet n’est que local, car la r´epartition des contraintes loin de la zone arrondie n’est

pas affect´ee [6]. Ces points n’existent pas dans la pratique, car les adh´erents sont toujours l´eg`erement arrondis dans le processus de fabrication. Ce ph´enom`ene a ´et´e ´etudi´e par Adams et Harris [44], qui a constat´e que le point de contrainte maximum est l´eg`erement ´ecart´e loin du coin. Zhao et al. [45] ont conclu que l’am´elioration de la r´esistance des joints est plus faible si des adh´esifs ductiles sont utilis´es. En utilisant un adh´esif fragile, on a obtenu une am´elioration de la r´esistance des joints de 40%.

d) Joint multi adh´esifs JMA

Une technique ´egalement utilis´ee pour r´eduire la concentration de contraintes aux extr´emit´es du joint est la technique multi adh´esifs (FIGURE 1.22). Au lieu d’utiliser un seul adh´esif fragile le long de la totalit´e de la longueur de recouvrement, on utilise deux adh´esifs. Ce deuxi`eme adh´esif doit ˆetre plus souple et plac´e aux extr´emit´es du recouvrement. De cette fac¸on, la contrainte aux bords de la longueur du joint est diminu´ee, ce qui entraˆıne une distri-bution de contraintes plus uniforme et un joint plus robuste [6, 46, 47].

Un inconv´enient de ce type de joint est la s´eparation de l’adh´esif. Bien qu’il soit difficile de trouver des adh´esifs compatibles, la meilleure fac¸on de contrˆoler le proc´ed´e est encore d’utiliser des films d’adh´esifs. Une autre fac¸on de faire est d’utiliser des bandes de silicium.

Cependant, si cette technique est utilis´ee, il y a une l´eg`ere diminution de la zone de charge [6].

FIGURE 1.22 – La technique du joint multi adh´esifs JMA [6].

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