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Table des matières
Au Centre des technologies de l'aluminium du CNRC, les scientifiques et leur équipe sont à la recherche de nouvelles solutions qui permettront aux entreprises canadiennes de concevoir des structures légères et durables assemblées par adhésifs structuraux.
À Saguenay, une attention particulière est accordée aux traitements de surface qui assurent une forte adhésion autant dans les assemblages impliquant des métaux que des polymères ou leurs composites. Les joints assemblés par adhésifs sont ensuite soumis à des essais de performance pour quantifier leurs propriétés mécaniques statiques et cycliques ainsi que leur durabilité environnementale. Ces recherches ouvrent la voie à la mise au point de structures multimatériaux novatrices et en demande dans tous les secteurs manufacturiers.
Figure 1. Préparation de surface par plasma froid à l'aide d'un robot 6 axes.
Environnement et économie d'énergie
L'utilisation des adhésifs structuraux permet de tirer profit de nouveaux matériaux. À la fois légers et rigides, ceux-ci ne pourraient être assemblés autrement et sont donc une solution pour l'allègement des véhicules, ce qui réduit la consommation d'essence et l'émission de CO2.
Pourquoi utiliser les adhésifs structuraux?
L'utilisation des adhésifs structuraux permet de tirer profit de nouveaux matériaux qui ne pourraient être assemblés autrement que par adhésifs. À titre d'exemple, la possibilité de création de matériaux hybrides aluminium et composite-polymères est attrayante puisqu'elle permet de répondre à de nouveaux besoins.
Applications
Dans le secteur de l'aéronautique, les adhésifs combinés à l'assemblage riveté permettent l'utilisation de tôles plus minces ou d'assemblage de multimatériaux. Dans le secteur automobile, les adhésifs permettent de diminuer les vibrations, d'augmenter la rigidité des châssis, tout en réduisant le poids des véhicules.
Figure 2. Plusieurs secteurs bénéficient des avantages de l'utilisation des adhésifs structuraux, dont celui de l'aéronautique.
Avantages
L'utilisation d'adhésifs pour les applications structurales comporte des avantages notables tels :
- L'obtention de structures plus légères pour une même rigidité;
- l'élimination des concentrations de contraintes en joignant les pièces sur une plus grande surface de contact, ce qui permet une meilleure performance en fatigue;
- l'amortissement des vibrations;
- la faculté de maintenir l'intégrité des matériaux (propriétés mécaniques, traitement thermique) grâce à un assemblage à froid;
- l'assemblage de multimatériaux;
- la diminution du temps d'exécution et des coûts d'assemblage.
Développement de prétraitements de surface
Les recherches sur l'assemblage à l'aide d'adhésifs structuraux nécessitent le développement de prétraitements de surface. Cette étape essentielle vise à favoriser une meilleure adhésion initiale et à long terme entre l'adhésif et les matériaux assemblés.
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Figure 3. Traitement de plasma sur une pièce d'aluminium. |
Figure 4. Tests de mouillabilité sur une pièce d'aluminium, la surface de gauche étant traitée au plasma froid et la surface de droite étant non traitée. |
Comme les phénomènes d'adhésion sont liés à la mouillabilité des surfaces, différentes techniques sont utilisées pour accroître l'énergie de surface des matériaux assemblés et ainsi maximiser leur mouillabilité :
- les techniques mécaniques :
abrasion, décapage par jet de sable, décapage cryogénique, etc.
- les techniques chimiques :
traitements de conversion chimique de la surface, anodisation, silanisation, etc.
- les techniques énergétiques :
modification de la surface des métaux et polymères par plasma froid, etc.
Une fois la surface préparée, un contrôle rigoureux est effectué à l'aide d'un appareil mesurant l'énergie de surface et certifiant que les matériaux sont prêts à accueillir les adhésifs structuraux.
Figure 5. Chercheur effectuant une mesure d'énergie de surface.
Conception du joint
Plusieurs types d'adhésifs développés pour l'assemblage de matériaux sont offerts sur le marché, mais dès la première étape de la conception du joint, un choix judicieux de l'adhésif est primordial. La conception du joint doit donc être réfléchie en fonction de la géométrie de la pièce, de ses propriétés, de son emplacement, du poids que l'adhésif aura à supporter et des conditions environnementales dans lesquelles celui-ci évoluera.
Figure 6. Mise en oeuvre d'un assemblage par adhésif.
Le CTA-CNRC concentre ses efforts de recherche sur :
- les concepts mécaniques des joints d'assemblage pour les charges statiques et dynamiques en utilisant la mécanique de rupture et la mécanique de milieux continus;
- la performance des joints soumis à des efforts prolongés (fluage);
- la simulation numérique de joints adhésifs et d'assemblage.
Figure 7. Essai mécanique quasi-statique sur un échantillon d'aluminium.
Performance mécaniques et durabilité
Divers essais sont réalisés pour mesurer d'une part la performance mécanique statique et dynamique des joints et d'autre part, la durabilité environnementale de ces derniers selon l'application visée. La résistance des joints adhésifs peut être évaluée par différents tests mécaniques en comparant les joints dans leur état originel par rapport à ceux qui auront subi une dégradation causée par une exposition environnementale ou un vieillissement par cyclage thermique. Le CTA-CNRC est doté de systèmes permettant de réaliser des essais en mode de sollicitation mécanique variés qui représenteront les situations réelles auxquelles les joints seront exposés. Une des forces du groupe est la préparation des montages pour la réalisation de tests mécaniques pertinents pour une application donnée.
Figure 8. Enceinte climatique programmable.
Parmi les plus grandes préoccupations liées aux assemblages par adhésifs, la tenue dans le temps est particulièrement importante. Les joints peuvent effectivement être dégradés dans diverses circonstances :
- milieu environnemental : humidité de l'air, solution stagnante, pollution;
- vieillissement par cyclage thermique et de cycles de gel-dégel;
- les sollicitations mécaniques qui peuvent provoquer le fluage ou la rupture en fatigue de l'assemblage.
Nos installations
Le CTA-CNRC possède plusieurs appareils de haut niveau :
- enceinte climatique programmable pour simuler un brouillard ou une immersion alternée à température contrôlée;
- appareils d'essais mécaniques MTS dont un à double vérin hydraulique permettant des essais en mode cyclique ou quasi-statique des joints assemblés à l'état dégradé ou originel;
- une enceinte de chocs thermiques reproduisant des conditions environnementales cycliques entre -75 et +200 oC;
- potenstiostat et logiciels pour mesures électrochimiques;
- appareil de mesure de la mouillabilité permettant de quantifier ou de connaître l'énergie de surface des matériaux;
- unité de traitement de surface par plasma froid;
- installation d'électrodéposition pour la réalisation des traitements de conversion de surface et d'anodisation.
Collaborez avec le CTA-CNRC
Les PME et les grandes entreprises gagnent à découvrir le CTA-CNRC.
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L'assemblage par adhésifs structuraux vous intéresse? Nous pouvons vous conseiller sur les préparations de surface en fonction des matériaux à assembler, des adhésifs et de l'application. Nous procédons aussi à l'évaluation mécanique des joints ainsi qu'à des essais environnementaux. |
Le CTA-CNRC travaille dans divers domaines tels que le moulage de l'aluminium semi-solide, l'hydroformage et le soudage laser et par friction-malaxage.
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Stéphan Simard, Ph.D. |
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Alain Simard, ing., M.Sc. |
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