1.3.1 Objectifs généraux
D’un point de vue global, le but du projet est de développer des techniques d’assemblage par adhésif pour structures d’aluminium qui sont fiables, relativement faciles à réaliser et économiques.
Pour répondre à cet objectif, on doit réaliser les étapes suivantes :
— Approfondir les connaissances sur la méthode d’assemblage par adhésif structural et les limites du collage de l’aluminium ;
— Déterminer le ou les systèmes d’adhésifs étant les plus performants dans le contexte industriel de Précicad (faible volume de production) ;
— Trouver les méthodes de calcul pouvant réaliser le dimensionnement et l’évaluation du facteur de sécurité de tout type de joint ;
— Développer une approche systématique de conception permettant la réalisation de joints fiables (au long terme) ;
— Appliquer les connaissances acquises sur le Kargo et noter les améliorations par rapport à la conception originale.
Bien que le contexte du partenariat de recherche soit orienté vers le véhicule électrique, le fruit des travaux réalisés doit pouvoir s’appliquer également à divers mandats de service que Précicad propose à ses clients, et par conséquent, pouvant s’appliquer dans le contexte de nombreuses PME du secteur industriel.
1.3.2 Tâches du programme de recherche
Pour surmonter les obstacles relevés en section 1.1.2 et répondre aux objectifs décrits en section 1.3.1, le programme de recherche établi entre Précicad et le REGAL de l’Université Laval prévoit effectuer les tâches énumérées ci-dessous.
1. Sélection des systèmes d’adhésif :
a) Réaliser le dépistage de produits par séries d’essais standardisés (ASTM)
b) Déterminer l’incidence des divers facteurs manufacturiers sur la résistance des éprouvettes
c) Optimiser les paramètres manufacturiers des systèmes d’adhésifs
d) Conduire une série d’essais préliminaires sur l’endurance des adhésifs sous condi- tionnement extrême (fatigue, écarts en température, brouillard salin)
e) Faire la sélection des systèmes d’adhésifs répondant le mieux aux besoins de Préci- cad, monter une base de données
2. Développement de méthodes de calcul :
a) Trouver des méthodes d’estimation de contraintes par calculs analytiques rapides et efficaces
b) Déterminer les paramètres les plus influents sur la contrainte pouvant guider la conception et l’optimisation
c) Sélectionner la théorie (loi de comportement) la plus efficace pour évaluer la résis- tance de joints de formes complexes par la méthode des éléments finis
d) Développer une approche simplifiée pour l’évaluation de grands assemblages et la comparer avec les solutions détaillées
e) Tester la robustesse de la méthode développée sous différentes conditions de modé- lisation
3. Caractérisation des propriétés mécaniques :
a) Trouver les différentes quantités à caractériser selon la loi de comportement privi- légiée
b) Déterminer un critère de défaillance de l’adhésif (enveloppe d’écoulement)
c) Obtenir expérimentalement les propriétés intrinsèques des adhésifs sélectionnés ; ajouter à la base de données
d) Caractériser le comportement de l’adhésif sous différentes conditions de fatigue e) Corrélation des essais de simulation numérique avec des joints génériques plus com-
plexes, ajuster la loi comportementale au besoin 4. Design de produits :
a) Définir une approche de design systématique pouvant aborder des problèmes de joint structuraux par adhésif
b) Bâtir une banque de données de joints étant efficaces pour des types de configuration géométrique et de chargement donnés
d) Explorer au besoin les méthodes d’assemblage assistées tel que le collage-rivetage pour atténuer les forces de pelage
e) Tester des sous-assemblages du Kargo sous conditions statique et en fatigue, corréler les résultats expérimentaux avec les simulations numériques
f) Essais routiers d’un prototype Kargo collé, testé sur une longue période 5. Intégration manufacturière :
a) Ajustement et optimisation des paramètres manufacturiers selon les spécificités de la chaîne de production du Kargo
b) Réaliser des séries d’essais de répétitivité sur les systèmes d’adhésif sélectionnés et établir des coefficients d’ajustement du facteur de sécurité selon les résultats statistiques
c) Mise en œuvre de méthodes de contrôle qualité pouvant déceler les problèmes (dé- fauts) au sein d’une chaîne de production
Ces étapes ont été planifiées en partie durant la phase de revue littéraire préliminaire de ce mémoire et sont sujettes aux changements en cours de réalisation pour mieux répondre aux objectifs de l’entreprise.
1.3.3 Portée du projet de recherche (mémoire)
Sachant très bien que l’ensemble des tâches énumérées précédemment ne peut tout être réalisé dans le cadre d’un seul projet de maîtrise universitaire, il sera question d’approcher les étapes 1 et 2, ainsi qu’une partie de la 3e, afin d’outiller Précicad d’une méthodologie d’évaluation de
joints pouvant les guider adéquatement dans la conception préliminaire d’assemblages collés sur le Kargo Light. Les travaux du présent projet de maîtrise se diviseront donc en trois volets, soit le procédé manufacturier, la modélisation et la caractérisation mécanique.
Au premier volet, il est question au chapitre2de réaliser des essais expérimentaux standardisés (coupons) visant à faire une sélection discriminatoire de systèmes d’adhésifs selon des critères de performance quasistatiques et de flexibilité de préparation manufacturière. Des analyses statistiques multiparamétriques sont effectuées sur des produits commerciaux appartenant à deux principales familles d’adhésif, afin de guider la sélection.
La deuxième partie du mémoire débute par l’étude analytique du joint collé au chapitre 3. L’analyse des différents modèles théoriques dans la littérature permet de comprendre les diffé- rents mécanismes et hypothèses qui affectent les répartitions de contraintes présentes le long de la longueur de recouvrement. Ensuite, une analyse paramétrique est réalisée sur un mo- dèle sandwich afin de pouvoir cerner les différents paramètres géométriques et matériels qui ont la plus grande incidence sur les contraintes maximales du joint en cisaillement à simple recouvrement (SLS). Par après, on dédie le chapitre4à la modélisation de joints collés par la
méthode des éléments finis (MÉF). Une approche fondamentale est choisie, pour ensuite faire l’étude complète du joint SLS avec différentes techniques de modélisation disponibles chez Précicad. Les différents niveaux de simplifications de modèle sont comparés par les résultats de distributions de contraintes issues d’études de convergence de maillage. Une approche de modélisation simplifiée sera aussi explorée afin de pouvoir capter les différents gradients de contraintes au sein de la couche d’adhésif, en utilisant un nombre minimal d’éléments. Le troisième volet (chapitre 5) consiste à faire la revue des différentes méthodes de caractéri- sation des propriétés mécaniques intrinsèques de l’adhésif et de développer une méthode expé- rimentale qui permet d’isoler, avec l’aide de simulations numériques, les constantes élastiques identifiées au volet précédent. Les propriétés mécaniques mesurées, sur l’adhésif sélectionné au premier volet, permettront donc à Précicad d’obtenir les données nécessaires pour réaliser des analyses structurelles sur des joints collés.
Puisque la thématique des adhésifs structuraux en génie mécanique consiste en un premier sujet de thèse à l’Université Laval, et pour Précicad, les travaux de ce projet de recherche serviront en partie à introduire la matière pour orienter de futures recherches. Le champ de recherche des adhésifs est un domaine vaste et complexe. Pour ces raisons, une revue de littérature exhaustive sera comprise en chaque début de chapitre.
Chapitre 2
Évaluation d’adhésifs sous différentes
conditions de préparation
La première phase du projet consiste à choisir les préparations de joint les plus appropriées pour répondre aux besoins spécifiques de l’entreprise en terme de fabrication. Ces condition- nements de joints auront une influence sur le système d’adhésif compatible à privilégier, et par conséquent, sur la méthodologie de simulation mécanique et sur la caractérisation de proprié- tés matérielles à définir. Comme présenté à la section 1.2.3, le choix de l’adhésif ne doit pas uniquement être dicté par une condition d’utilisation visée, mais aussi par une multitude de facteurs reliés aux capacités en fabrication. Il est donc question dans ce chapitre d’identifier les paramètres manufacturiers pouvant affecter la performance quasi statique d’un joint collé et d’optimiser le procédé pour Précicad.
2.1
Revue de littérature
2.1.1 Principales familles d’adhésifs structuraux
Bien qu’il existe une panoplie de types d’adhésifs disponibles sur le marché, trois familles chimiques sont principalement utilisées en application structurale : les époxydes, les acryliques et les uréthanes.
Sans équivoque, les adhésifs à époxy forment le groupe le plus important. Leur haut degré de réticulation permet d’obtenir de hautes résistances mécaniques et une grande rigidité, même à des températures élevées [49]. Il s’agit du type d’adhésif le plus employé dans l’industrie aéronautique et automobile, ce qui peut expliquer l’abondance d’articles scientifiques dédiés à leur étude et à leur utilisation. On les qualifie souvent comme étant résistant à l’humidité et à la dégradation environnementale. Leur réaction de durcissement peut être catalysée par l’application de chaleur (adhésifs monocomposants) ou à température ambiante avec l’ajout d’un agent chimique (adhésifs bicomposants). L’époxy monocomposant est privilégié dans la
fabrication de pièces en matériaux composites à fibre de carbone, car il a souvent une bonne compatibilité chimique et thermique avec la matrice des stratifiés. On peut alors faire un cycle de durcissement simultané avec celui des substrats lors des cuissons en four à autoclave. Les grands fabricants automobile l’utilisent pour joindre les tôles de carrosserie en fixant les pièces par soudure par point (à travers les substrats et l’adhésif), puis en terminant le cycle de réticulation au moment de la cuisson de la peinture du véhicule [18,45]. Il est à noter que la plupart des époxys bicomposants ont une rigidité plus faible que les monocomposants. Par contre, il est possible de rehausser les propriétés mécaniques d’un adhésif durci à température ambiante en appliquant une post-cuisson à haute température [44]. Parmi ses défauts, les époxys ont un temps de réticulation assez long, leur fragilité les rend vulnérables à la fatigue, sans compter qu’ils ont besoin d’une préparation de surface élaborée pour éviter les manques d’adhésion. Pour ces raisons, on trouve de plus en plus de recettes d’adhésifs à époxy contenant des additifs de renforcement à base de caoutchouc (toughned epoxies) qui améliorent leur ténacité et leur tolérance aux chargements cycliques.
L’utilisation industrielle des adhésifs au polyuréthane est la plus diversifiée, passant d’appli- cations semi-structurales à structurales. Une fois durcis, ils offrent de bonnes propriétés de scellant. Ceci peut être un atout dans l’assemblage de composantes susceptibles à la corro- sion galvanique. Il vient également sous forme monocomposante et bicomposante. Le premier durcit en réagissant avec l’humidité (ambiante) et le second avec l’introduction d’un cataly- seur chimique à base d’alcool. Comme en témoigne la Fig.2.1, leur rigidité et leur résistance maximale sont nettement plus faibles que celle des époxys. Toutefois, ils font d’excellents atté- nueurs de vibrations. Ce type d’adhésif est alors privilégié pour les joints à épaisseur élevée et les assemblages nécessitant une certaine souplesse de fabrication, c’est-à-dire pour s’adapter aux grandes tolérances de fabrication [48]. Les polyuréthanes ont aussi tendance à avoir une température de transition vitreuse (Tg) assez basse et à moins bien réticuler par temps sec
[44].
La forme d’adhésif la plus commune dans la famille des acryliques est le méthacrylate bi- composant. Ses caractéristiques mécaniques se situent entre celles des époxys renforcis et des polyuréthanes rigides. Les méthacrylates offrent une excellente compatibilité chimique avec les métaux et ont la capacité de dissoudre les graisses présentes sur les surfaces des substrats. Ceci est particulièrement intéresant dans les applications d’assemblage de tôlerie ayant subit un for- mage mécanique au préalable. De plus, leur temps de durcissement est généralement rapide et ils sont peu sensibles au ratio de mélange [44], un bon atout pour le secteur industriel.
2.1.2 Mouillabilité vs viscosité de l’adhésif
Le mouillage d’un adhésif se définit par sa capacité à pouvoir s’étaler sur la surface d’un solide, afin d’offrir un contact complet avec son adhérent et pour que les forces d’adhésion puissent se développer. Essentiellement, le mouillage dépend des caractérisques rhéologiques
300 0 50 100 150 200 250 60 0 10 20 30 40 50 Élongations (%) Contrainte (MPa) Époxy Époxy renforcis Méthacrylates renforcis
Polyuréthanes rigides Polyuréthanes souples
Élastomères/scellants
Fig. 2.1 – Courbes de traction typiques des principales familles d’adhésifs structuraux, pas- sants des applications à haute résistance mécanique à celles à haute ténacité.
de l’adhésif, au niveau de la rugosité des substrats et de la tension de surface des interstices à coller. Comme l’on peut voir à la Fig.2.2a, un adhésif peut faire un bon lien mécanique entre les deux surfaces que lorsqu’il pénètre dans les irrégularités des matériaux des substrats. La Fig. 2.2billustre le cas où l’adhésif a une viscosité trop élevée par rapport à la rugosité des adhérents. Par conséquent, l’adhésif n’adhère que sur une partie des matériaux solides et son manque d’accrochage l’empêche de transmettre sa charge efficacement.
(a) Bonne (b) Mauvaise
Fig. 2.2 – Mouillabilité de l’adhésif sur des substrats [29].
Comme on verra dans la section 2.1.3, augmenter la tension de surface par le traitement chimique ou mécanique des surfaces des adhérents est l’un des meilleurs moyens de favoriser le mouillage et l’adhésion. Toutefois, la nature physique de l’adhésif ainsi que ses manipulations lors de son application sont aussi un aspect à considérer en milieu industriel. L’évolution de la viscosité d’un adhésif est liée à son niveau de réticulation. Puisque la dynamique de réticulation d’un adhésif dépend de sa nature chimique et de la température d’utilisation, le
choix du système d’adhésif peut avoir un impact significatif sur la cadence et la séquence de production d’une chaîne de montage. Tel qu’illustré à la Fig.2.3, le cycle de réticulation d’un adhésif est essentiellement constitué d’un temps de travail, d’un temps de gélification et d’un temps de durcissement. Durant la première phase, l’adhésif peut être mélangé, injecté, appliqué et étendu sur les substrats sans affecter sa capacité à mouiller les surfaces. Plus on approche la fin du temps de travail, plus il devient difficile de l’étendre. À ce stade, l’adhésif doit couvrir la totalité de la surface à joindre, car son gain en viscosité fait qu’il n’est plus manipulable et parce qu’il commence à perdre son aspect gommant (tack en anglais). Tout mouvement entre le temps de travail et le temps de gélification peut potentiellement induire des contraintes résiduelles dans le joint et affecter la qualité du collage. Pour cette raison, on doit généralement garder les substrats immobiles durant cette période dans un gabarit, afin de s’assurer que la gravité (ou un accident) ne déforme l’assemblage de façon permanente. Au-delà du temps de gélification, l’assemblage peut être démonté du gabarit et manipulé avec soin. Le durcissement complet prend généralement la forme d’une fonction asymptotique telle qu’à la Fig.2.3. Généralement les manufacturiers donnent un temps de « cure » pour lequel l’adhésif aura atteint un niveau de réticulation de 80 à 90%, ce qui est acceptable pour la majorité des applications en ingénierie. Pour obtenir la totalité des propriétés mécaniques, certains afficheront le temps de mûrissement, c’est-à-dire le temps où le durcissement sera complété à 99%. Ce délai doit être respecté si l’on prévoit faire l’évaluation expérimentale d’un adhésif
1,78506 11,2804 1,78506 0 4,33516 68,74 8,92532 0,00290698 11,9854 13246,3 11,2204 0,0261628 !! 40,0364 386553 40,0364 0,59 79,8178 2,09E+06 79,8178 0,93314 119,854 2,45E+06 119,854 0,953488 0%! 10%! 20%! 30%! 40%! 50%! 60%! 70%! 80%! 90%! 100%! 10! 100! 1 000! 10 000! 100 000! 1 000 000! 10 000 000! 0! 20! 40! 60! 80! 100! 120! 140! Réticulation ! Viscosité (P a*s) ! Temps (min)! Viscosité! Réticulation! Gélification! Temps de travail! Durcissement! complet!
Fig. 2.3 – Évolution du durcissement d’un adhésif bi-composant à base d’époxy dont la période de durcissement est rapide ; image adaptée du livre de W. Brockmann et al. [21].
ou d’un traitement de surface. À titre d’exemple, un adhésif à époxy typique a généralement un temps de travail se situant près entre 30 et 60 minutes, un temps de durcissement de 24 heures et un temps de mûrissement d’environ 5 à 7 jours.
2.1.3 Les traitements de surface de l’aluminium
Au-delà des propriétés physiques et chimiques d’un adhésif à transmettre les forces d’un adhé- rent à l’autre par ses forces de cohésion, il est important qu’un assemblage possède des forces d’adhésion interfaciales de qualité pour garantir un joint durable avec une bonne répétitivité. En effet, la résistance d’un assemblage collé ne peut être plus forte que le maillon le plus faible de la chaîne de liaison des matériaux (substrat 1 ↔ interface 1 ↔ adhésif ↔ interface 2 ↔ substrat 2) [44]. Les matériaux d’ingénierie n’offrent pas tous le même niveau d’énergie de surface disponible pour favoriser l’adhésion d’un adhésif. Sans aller dans les détails de la mesure de tension superficielle des matériaux, il est possible de schématiser la qualité de cette propriété avec le test de la gouttelette d’eau. La Fig. 2.4bmontre un matériau qui a naturel- lement une faible énergie d’adhésion, comme cela est généralement le cas avec les plastiques, tel que le PFTE. La Fig. 2.4creprésente bien la mouillabilité de la plupart des métaux et la Fig.2.4dillustre un mouillage de très haute qualité qu’on pourrait obtenir après le traitement de sa surface. Les alliages d’aluminium ont une énergie de surface élevée en raison de la couche
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2.3 Énergie de surface et mouillabilité
Quand une goutte de liquide sphérique est posée sur un solide, elle forme un angle avec le solide, qui est fonction des énergies superfi- cielles et interfaciales en jeu selon l’équation de Young (figure 7) :
(1)
avec γLG tension superficielle du liquide, γSG tension superficielle du solide, γSL tension superficielle interfaciale, θ angle que fait le liquide avec le solide.
Les métaux, le verre et certains plastiques ont généralement une énergie de surface élevée (tableau 1), on dit qu’ils sont faciles à coller. En revanche, le Teflon, certaines peintures poudres et les plastiques, ayant une faible énergie de surface, font partie des matériaux difficiles à coller (figure 9).
La mouillabilité représente l’aptitude qu’a un liquide à occu-
per la plus grande surface d’un solide et fait intervenir la notion d’énergie de surface. Plus l’énergie de surface d’un matériau est élevée, plus l’angle θ est petit (tend vers 0), plus la surface de contact est grande et meilleure sera l’adhésion (figure 8).
Figure 7 – Énergie de surface et équation de Young
Figure 8 – Énergie de surface et mouillabilité
γLGcosθ γ= SG−γSL
Liquide
Solide γSL γSG
γLG
θ
a matériau à haute énergie de surface
matériau à énergie de surface moyenne
matériau à faible énergie de surface b
c
θ1
θ2
θ3
Tableau 1 – Classement de divers matériaux
en fonction de leur énergie de surface
Haute énergie de surface Matériaux Métaux Cuivre Aluminium Zinc Étain Plomb
Verre Tous types
Plastiques
Polyimide (Kapton™) Résines phénoliques Polyamides (Nylon™, Rilsan™)
Vernis émaillé Polyesters Époxydes Polyuréthannes ABS Polycarbonates (Lexan™/Makrolon™) PVC
PMMA (Plexiglass™, Altuglass™)
Basse énergie de surface Matériaux Plastiques Acétate de polyvinyle Polystyrène Polyacétal (Delrin™) EVA Polyéthylène Polypropylène Vinyle fluoré (Tedlar™)
PTFE (Teflon™)
ABS : poly(styrène/butadiène/acrylonitrile). PMMA : polyméthacrylate de méthyle.
EVA : copolymères éthylène/acétate de vinyle. PTFE : polytétrafluoréthylène.
Figure 9 – Matériaux faciles et difficiles à coller
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Ce document a été délivré pour le compte de 7200046852 - bibliotheque universite laval section des acquisitions // bruno LEDUC // 132.203.171.208
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(a) Matériau incollable
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