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Le principal défi de la construction légère hybride
Dans les concepts de conception modernes pour l’automobile, l’aérospatiale et l’électronique, les assemblages hybrides de différents matériaux légers comme l’aluminium, l’acier et les plastiques renforcés de fibres de carbone (PRFC) sont de plus en plus souvent assemblés par collage. Cette technologie d’assemblage permet une transmission de force surfacique et des géométries optimisées, mais elle est confrontée à un défi technique majeur : les différents coefficients de dilatation thermique entre les partenaires d’assemblage et les adhésifs. Ce problème dit delta-alpha (problème delta-a) peut entraîner des tensions internes et des mécanismes de défaillance critiques, en particulier sous des contraintes thermiques cycliques ou liées au processus (European Aluminium Association 2015 ; Dietrich 2018).
Coefficients de dilatation thermique spécifiques aux matériaux et leurs effets
Chaque matériau possède un coefficient de dilatation thermique caractéristique coefficient de dilatation thermique (α)qui décrit la variation de longueur en fonction de la température. La fourchette de ces valeurs varie considérablement entre les matériaux utilisés dans les assemblages mixtes : l’acier présente des valeurs de α ≈ 11,5-13,1 × 10-⁶ K-¹, tandis que l’aluminium présente des coefficients de dilatation nettement plus élevés, de α ≈ 22-25 × 10-⁶ K-¹. Les adhésifs à base de résine époxy se situent dans la fourchette α ≈ 45-200 × 10-⁶ K-¹, et les composites CFRP présentent des propriétés de dilatation fortement anisotropes avec des valeurs comprises entre -1,0 et 1,5 dans l’orientation des fibres et jusqu’à 65 × 10-⁶ K-¹ dans la direction transversale.
fibre (Dietrich 2018).
Les déplacements relatifs et les tensions qui en résultent lors des cycles de température – par exemple pendant les processus de fabrication ou en fonctionnement dans la plage de température de -40 °C à +200 °C – représentent une charge considérable pour l’assemblage collé. Les zones proches de la température de transition vitreuse (Tg) sont particulièrement critiques, car les adhésifs passent de propriétés viscoélastiques à des propriétés élastiques ou plastiques, ce qui peut avoir un impact significatif sur la résistance et la durée de vie de l’assemblage (DFR Solutions o. J.).
Mécanismes de dégradation et leurs conséquences techniques
La dégradation des assemblages collés due à des coefficients de dilatation thermique différents se manifeste par différents mécanismes. Les différentes valeurs de α génèrent des contraintes de cisaillement et de traction qui peuvent conduire à une défaillance de l’interface ou à une rupture cohésive dans l’adhésif lui-même. L’épaisseur de l’interstice de collage et la dimension de la pièce sont des facteurs déterminants pour la répartition des contraintes. (Association européenne de l’aluminium 2015 ; NPL 1999).
L’anisotropie de la dilatation doit être prise en compte, en particulier pour les assemblages de PRFC, de sorte que la structure du stratifié et l’orientation des fibres influencent également de manière significative le développement des contraintes. Cela doit être pris en compte lors de la conception de structures légères et de composites, car la contrainte thermique est générée à la fois par le mismatch des partenaires d’assemblage et par la contraction de l’adhésif lors du durcissement (Dietrich 2018).
L'humidité comme facteur d'influence supplémentaire
L’humidité, combinée à la température, est un facteur d’influence supplémentaire décisif sur la résistance de l’assemblage. Elle peut modifier de manière significative les propriétés mécaniques des adhésifs, affaiblir l’adhésion au substrat et accélérer les dommages liés au vieillissement tels que le délaminage, la fissuration ou la déformation de la couche adhésive. Les interactions avec la température renforcent la diffusion et le processus de dégradation hydrolytique dans l’adhésif, en particulier pour les applications extérieures et les composants électroniques.
Prévision de la durée de vie et méthodes de test
La durée de vie des assemblages collés sous charge thermique alternée peut être estimée de manière fiable en combinant des tests de vieillissement accéléré, des tests de température cycliques et des modèles de prévision modernes. Les tests accélérés simulent des charges de longue durée sous des cycles de température proches de la réalité afin de reproduire le comportement de défaillance et le développement de fissures dans l’adhésif. Les méthodes modernes de prévision à cycle court, telles que la méthode isotherme étagée (SIM) ou la méthode isostatique étagée (SSM), permettent de déterminer rapidement le comportement de fluage et les effets de relaxation liés au mismatch thermique de différents matériaux d’assemblage (NPL 1999).
Les essais de fatigue et de choc thermique enregistrent les nombres d’oscillations à la rupture ainsi que l’apparition de mécanismes de détérioration, qui sont essentiels pour l’évaluation de la durée de vie. Les résultats expérimentaux sont de plus en plus souvent associés à des simulations numériques et à des méthodes d’essai établies, telles que les tests de changement climatique, afin de permettre des prévisions de durée de vie adaptées à la pratique.
Combinaisons de matériaux et systèmes d'adhésifs optimisés
Les combinaisons de matériaux adhésifs et de substrats ayant des coefficients de dilatation thermique similaires sont particulièrement efficaces pour minimiser le risque de fissuration, de délamination ou de tensions induites par la chaleur. Les adhésifs époxy associés à des substrats métalliques tels que l’aluminium ou l’acier sont particulièrement recommandés lorsque la formulation de l’adhésif est modifiée de manière ciblée avec des charges ou des flexibilisateurs afin de réduire le coefficient de dilatation thermique. coefficient de dilatation à celui du métal (European Aluminium Association 2015 ; Dietrich 2018).
Les adhésifs silicone et les systèmes polyuréthane offrent des propriétés avantageuses pour des coefficients de dilatation thermique très différents en raison de leur faible module d’élasticité ou de leur grande élasticité, et réduisent la fissuration thermique et la fatigue.
Solutions pratiques et recommandations de conception
Plusieurs leviers sont essentiels à la réussite de la mise en œuvre d’assemblages collés fiables dans la construction légère hybride. L’optimisation du système de collage grâce à des adhésifs appropriés et à la flexibilisation permet de réduire les tensions. Le choix de la structure stratifiée en PRFC et l’optimisation de la longueur de chevauchement, de l’épaisseur de la fente de collage et de la géométrie d’assemblage sont des leviers décisifs. La conduite du processus et la gestion de la température doivent être choisies de manière à éviter les zones critiques de température de transition vitreuse (DFR Solutions o. J. ; NPL 1999).
Implications pour la pratique
Les ingénieurs de développement dans l’automobile et l’aérospatiale, les scientifiques des matériaux et les équipes de qualité y trouveront des implications pratiques concrètes. L’analyse et la simulation du problème delta-alpha sont indispensables à la conception d’assemblages collés fiables et durables dans la construction légère hybride. Les méthodes de test telles que Dilatométrie, Analyse thermomécanique (TMA) et DSC sont des outils essentiels pour le benchmarking et l’optimisation des processus. La validation des cycles thermiques fait partie intégrante de toute stratégie de qualité et de validation (European Aluminium Association 2015 ; DFR Solutions o. J.).
Conclusion
La dilatation thermique variable des adhésifs et des pièces à assembler est un facteur critique pour l’intégrité mécanique des assemblages mixtes modernes. En modifiant les propriétés des adhésifs, en optimisant la géométrie des pièces et des assemblages et en utilisant des méthodes de test établies, les ingénieurs de développement peuvent influencer la performance mécanique et minimiser les risques de défaillance (Dietrich 2018 ; NPL 1999 ; DFR Solutions o. J.).
Répertoire des sources
Dietrich, R. (2018). Analyse de l’incompatibilité de dilatation thermique des structures hybrides FKV-métal. Université technique de Munich. Disponible sur : https://mediatum.ub.tum.de/1393107
Association européenne de l’aluminium (2015). Joining Dissimilar Materials. Disponible sur :
https://european-aluminium.eu/wp-content/uploads/2022/11/11-joining-dissimilar-materials_2015.pdf
NPL (1999). Essai de fatigue cyclique des joints adhésifs. Disponible sur : https://www.researchgate.net/publication/237635154
DFR Solutions (o. J.). Cyclage de la température et fatigue dans l’électronique. Disponible sur :
https://www.ekwb.com/wp-content/uploads/2020/05/1-Temperature-Cycling-and-Fatigue-in-Electronics-White-Paper-1.pdf
