Brevet FR3042196A1 — publié le 20170414

Procédé de solidarisation d'un élément composite et d'un élément rigide La présente invention se rapporte à un procédé de solidarisation de deux éléments de natures différentes. Un domaine d'application envisagé est celui de la solidarisation d'un élément en matériau composite thermoplastique et d'un élément en matériau rigide homogène, par exemple en métal. Il est connu, dans l'industrie aéronautique notamment, de relier ensemble des éléments en matériau composite et des éléments métalliques. On y procède, soit par des éléments mécaniques rapportés, tels des rivets, soit par collage. Dans ce dernier cas, on prépare les surfaces des éléments à appliquer l'un contre l'autre puis on enduit d'un adhésif l'une et/ou l'autre des surfaces pour ensuite les appliquer l'une contre l'autre et les presser jusqu'à la polymérisation de l'adhésif lorsqu'il s'agit d'un adhésif réactif. De la sorte, les deux éléments sont solidaires l'un de l'autre par leur surface préparée. Si le collage présente des avantages par rapport à l'assemblage par rivetage, notamment en termes de poids et d'encombrement, il est dans certains cas moins performant en termes de résistance mécanique et de durabilité de l'assemblage. Et ce d'autant plus, en l'espèce, que les deux éléments présentent des natures différentes. Dans le domaine de l'industrie automobile on recherche également à alléger les structures et ainsi à substituer des pièces en matériau composite à des pièces métalliques. Toutefois, si les caractéristiques mécaniques des pièces en matériau composite peuvent être l'égale de celle des matériaux métalliques, ce n'est pas le cas de leur liaison qui présente généralement de plus faibles caractéristiques. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de pouvoir relier et de solidariser de manière rigide un élément en matériau composite et un élément en matériau rigide homogène, sans que cette liaison ne puisse se dégrader dans le temps et en s'assurant que la résistance mécanique demeure continue en passant d'un élément à l'autre. Dans le but de résoudre ce problème, il est proposé un procédé de solidarisation d'un élément en matériau composite thermoplastique et d'un 3042196 2 élément en matériau rigide homogène, ledit élément en matériau composite thermoplastique comprenant un polymère thermoplastique et des fibres de renfort noyées à l'intérieur dudit polymère thermoplastique, ledit procédé d'assemblage étant du type comprenant les étapes suivantes : a) on traite la 5 surface desdits éléments ; b) on applique l'une contre l'autre les surfaces traitées desdits éléments ; et, c) on presse lesdits éléments l'un vers l'autre pour pouvoir solidariser lesdits éléments l'un à l'autre par leur surface. En outre, à l'étape a) on génère des anfractuosités dans la surface dudit élément en matériau rigide homogène ; et on provoque le ramollissement dudit 10 polymère thermoplastique, de manière à pouvoir faire pénétrer ledit polymère thermoplastique ramolli et les fibres de renfort à l'intérieur desdites anfractuosités lorsque l'on presse lesdits éléments à l'étape c). Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans le traitement de la surface de l'élément en matériau rigide homogène, dans laquelle on génère 15 des anfractuosités et dans la mise en oeuvre du composite thermoplastique de manière à provoquer son amollissement de façon à pouvoir faire pénétrer le polymère tout autant que les fibres à l'intérieur des anfractuosités. De la sorte, lorsque le polymère thermoplastique retrouve sa dureté, les fibres et une partie du polymère sont encastrées à l'intérieur des anfractuosités du matériau rigide. 20 Partant, la liaison entre les deux éléments est rendue plus rigide, par rapport aux assemblages collés selon l'art antérieur. De surcroît, la liaison présente une cohésion accrue par rapport aux liaisons obtenues par le seul collage, ainsi qu'une durabilité augmentée. Au surplus, générer des anfractuosités dans le matériau rigide, conduit à 25 augmenter également sa surface spécifique et partant, à accroître la surface de contact que vient mouiller le polymère thermoplastique ramolli. Cela conduit à accroître les forces de liaison entre le matériau composite et le matériau rigide. Aussi, le ramollissement du polymère thermoplastique peut être accompli en fournissant de l'énergie thermique à l'élément en matériau composite 30 thermoplastique avant de l'appliquer contre la surface du matériau rigide homogène, ou également, durant l'étape de pressage des deux éléments. On peut fournir de l'énergie thermique, dans le premier cas au moyen d'un 3042196 3 rayonnement. Dans le second cas, il est plus aisé de fournir cette énergie thermique par induction ou ultrason. Selon un premier mode de mise en oeuvre, ledit élément en matériau rigide homogène est un élément métallique. Ainsi par exemple, il est aisé de 5 venir substituer des éléments en matériau composite thermoplastique à des éléments métalliques eux-mêmes reliés à d'autres éléments métalliques. Pour ce faire, il convient de traiter lesdits autres éléments métalliques en générant des anfractuosités au niveau de leurs jonctions avec l'élément en matériau composite thermoplastique. Ainsi qu'on l'expliquera plus en détail dans la suite 10 de la description, différents types de méthodes peuvent être mis en oeuvre pour réaliser ces anfractuosités. La frappe à froid ou à chaud, l'usinage mécanique ou par électroérosion, l'estampage ou encore la gravure chimique sont des moyens d'y parvenir. Selon un autre mode de mise en oeuvre, ledit élément en matériau rigide 15 homogène est un élément en matériau polymère. En pareille circonstance, le matériau retenu présente de préférence un point de fusion élevé en comparaison de celui du polymère thermoplastique du matériau composite, ce qui lui permet de conserver ses caractéristiques mécaniques durant l'étape où on provoque ramollissement du polymère thermoplastique et durant l'étape de 20 pressage. Le matériau polymère de l'élément en matériau rigide homogène n'est pas nécessairement un composé thermodurcissable, mais peut, par exemple, être un polymère du type polyétheréthercétone, ou PEEK, acronyme du nom anglais correspondant « polyether ether ketone ». Préférentiellement, on génère des anfractuosités dans la surface dudit 25 élément en matériau rigide homogène de manière à former une pluralité de plots. Ainsi, le polymère thermoplastique amolli et les fibres qu'il imbibe sont forcés entre les plots de telle sorte que, après que le polymère a retrouvé sa dureté, ces fibres et ce polymère encastrés entre les plots constituent une liaison mécanique résistante. 30 Selon un mode de réalisation particulier, on génère des anfractuosités de manière à former une pluralité de plots présentant chacun une tête renflée. On entend par tête renflée, aussi bien une tête de plot proéminente par rapport au corps du plot lui-même, ou bien encore une tête formant crochet au sommet du 3042196 4 plot. On comprend alors, que le polymère amolli et les fibres peuvent être forcés entre les plots et sous les têtes renflées et qu'alors, après durcissement du polymère, la liaison mécanique est un accrochage, plus encore résistant. Selon un mode préféré de mise en oeuvre, on génère des anfractuosités 5 distribuées régulièrement dans la surface dudit élément en matériau rigide homogène. De la sorte, les forces de liaison entre les deux éléments sont uniformément réparties par unité de surface, des surfaces en contact. Avantageusement, on ménage une pluralité de rainures croisées dans ladite surface pour générer lesdites anfractuosités. Ainsi, en réalisant deux 10 séries de rainures, une première série de rainures parallèles et une seconde série de rainures perpendiculaires à la première, on fait alors apparaître les plots. Ils sont ainsi distribués de manière régulière. Selon une variante de réalisation, toutes les rainures sont ménagées en V. Partant, lorsque l'on réalise deux séries de rainures croisées, et que les 15 rainures sont suffisamment proches les unes des autres, on forme alors des plots de géométrie pyramidale. Selon une autre variante, les rainures sont ménagées en U. On peut alors obtenir des plots de géométrie cubique. Ainsi qu'on l'expliquera ci-après, il est possible à partir de cette géométrie cubique des plots, de venir ensuite traiter la 20 surface afin de réaliser une tête renflée à ces plots, ou bien retirer de la matière à la base de ces plots pour dégager une tête renflée. De plus, la génération d'anfractuosités vise à améliorer l'ancrage mécanique de l'élément en matériau composite thermoplastique sur l'élément en matériau rigide. Aussi, il également possible de réaliser au surplus un 25 traitement de la surface visant à augmenter l'énergie de surface, par exemple en venant greffer des fonctions chimiques particulières. On peut notamment y procéder par dopage au moyen de technologies de type plasma. Par ailleurs, et selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, on fournit de l'énergie audit élément en matériau 30 rigide homogène pour provoquer le ramollissement dudit polymère thermoplastique. En effet, en fournissant de l'énergie thermique au matériau rigide homogène, celle-ci se dissipe par exemple dans les plots générés par les anfractuosités, et partant l'apport énergétique au polymère thermoplastique est 3042196 5 localisé. Conséquemment, ce dernier se déforme localement sans amollir entièrement l'élément composite et ce sont les plots qui viennent alors s'enfoncer dans le polymère amolli à travers les fibres. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture 5 de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est une vue schématique agrandie en perspective de la surface d'un matériau rigide homogène traité selon l'invention et selon une 10 première variante d'exécution ; - la Figure 2 est une vue agrandie en perspective de la surface d'un matériau rigide homogène traité selon l'invention et selon une deuxième variante d'exécution ; - la Figure 3 est une vue schématique en coupe droite de la surface du 15 matériau selon la première variante d'exécution ; - la Figure 4 est une vue schématique en coupe droite de la surface du matériau rigide traité selon une troisième variante d'exécution ; - la Figure 5 est une vue schématique en coupe droite de la surface du matériau rigide traité selon une quatrième variante d'exécution : et, 20 - la Figure 6 est un organigramme du procédé de solidarisation selon l'invention. L'objet de l'invention porte sur un procédé de solidarisation d'un élément en matériau composite thermoplastique et d'un élément en matériau rigide homogène. Le procédé est schématiquement représenté à travers 25 l'organigramme illustré sur la Figure 6. Selon une première étape 10 du procédé, on fournit deux éléments à assembler, l'un fait d'un matériau composite thermoplastique, l'autre fait d'un matériau rigide homogène, par exemple un métal. Le composite thermoplastique est un matériau à matrice organique fait 30 d'un polymère thermoplastique et lequel est renforcé par des fibres, par exemple des fibres de verre ou encore des fibres de carbone. Les fibres ont un diamètre compris par exemple entre 5 pm et 20 pm, avantageusement entre 5 pm et 10 pm. Quant au polymère thermoplastique, de par sa nature, il est 304 2 1 9 6 6 rigide à température ambiante et il se ramollit lorsque sa température s'élève suffisamment. Le polyamide 6, par exemple, est un polymère thermoplastique dont le point de fusion est voisin de 220 °C, et qui peut être avantageusement mis en oeuvre dans le composite selon l'invention. Il redevient rigide en 5 refroidissant. Le matériau rigide homogène est par exemple un élément métallique. Il peut être réalisé en acier, en acier revêtu ou en acier inoxydable. Il peut également être fait d'aluminium ou encore de titane, ou de leurs alliages respectifs. Toutefois, on prévoit de mettre en oeuvre un élément en matériau 10 polymère à haut point de fusion, comme matériau rigide homogène. Par exemple, un polymère du type polyétheréthercétone, peut avantageusement être mis en oeuvre car, il est non seulement rigide, mais aussi, son point de fusion est d'environ 200 °C supérieur à celui du polyamide 6 par exemple. Les matériaux de type polysulfone sont également des polymères à haut point de 15 fusion adaptés. Selon une deuxième étape 12 illustrée sur la Figure 6, on traite la surface de l'élément en matériau rigide homogène de manière à pouvoir y réaliser des anfractuosités. Ce type de traitement est autrement dénommé, texturation. La Figure 1, illustre une portion de surface 14 d'un élément en matériau 20 métallique, dans laquelle on a réalisé deux séries de rainures 16, 18 perpendiculaires formant des anfractuosités 15 et, faisant apparaître des plots 20 sensiblement cubiques et plus généralement parallélépipédiques. Les rainures de la première série 16 sont sensiblement parallèles et équidistantes tout comme les rainures de la seconde série 18. 25 Par exemple, tel que représenté en coupe droite sur la Figure 3, on réalise sur la portion de surface 14 des rainures en U d'une profondeur P comprise entre 100 pm et 500 pm. La largeur I_ des rainures est par exemple comprise entre 150 pm et 200 pm, tandis qu'elles sont espacées les unes des autres d'une distance D, par exemple de 500 pm. On observera que le 30 diamètre des fibres du matériau composite, compris par exemple entre 5 pm et 10 pm, est très petit par rapport à la taille des anfractuosités 15. Ces rainures peuvent avantageusement être réalisées avec des techniques de type laser ou bien à froid, par estampage, poinçonnage, 3042196 7 grainage ou bien encore guillochage. Des techniques de gravure chimique ou électrochimique sont également adaptées à la réalisation de telles rainures. Les techniques d'électroérosion sont également susceptibles d'être mises en oeuvre afin d'obtenir des topographies plus complexe. 5 La Figure 2 illustre un autre mode de traitement d'une autre portion 22 de surface d'un élément en matériau métallique pour lequel deux autres séries de rainures croisées 24, 26 sont relativement larges et suffisamment rapprochées les unes des autres pour faire apparaître, non plus des plots mais des tiges 28. Aussi, la hauteur des tiges 28 peut par exemple être comprise entre 100 um et 10 500 um tandis qu'elles sont espacées les unes des autres d'une distance comprise entre 150 um et 200 um. Selon encore un autre mode de traitement d'encore une autre portion de surface 30, telle que représentée sur la Figure 4, on réalise deux séries de rainures en V 32 contiguës, les deux séries de rainures étant perpendiculaires. 15 De la sorte, on obtient des anfractuosités pyramidales 34 faisant apparaître des plots pyramidaux 36. Ces rainures croisées sont obtenues principalement par des méthodes de traitement à froid. Leur profondeur peut également être comprise entre 100 um et 500 um, tandis que le sommet des plots pyramidaux 36 sont espacés les uns des autres 20 d'une distance comprise entre 150 um et 700 um. Selon un dernier mode de traitement d'une dernière portion de surface 38, représentée sur la Figure 5, on réalise des anfractuosités de manière à former des plots à tête renflée 40 et plus précisément des plots présentant une tête en forme de crochet. Des traitements mécaniques à froid de la dernière portion de 25 surface 38 permettent d'obtenir de tels plots 40. Leur hauteur est par exemple voisine de 500 um, tandis qu'ils sont espacés d'une distance comprise par exemple entre 400 um et 600 um. On se reportera de nouveau à la Figure 6, afin de décrire plus en détail le procédé de solidarisation des deux éléments selon l'invention. Ainsi, après le 30 traitement de la surface de l'élément en matériau rigide homogène selon l'étape 12, deux variantes de réalisation peuvent être mises en oeuvre. Selon une première variante, et conformément à une première première sous-étape 40, on fournit de l'énergie thermique à une portion de surface de 3042196 8 l'élément en matériau composite thermoplastique, par exemple par rayonnement infrarouge. La quantité d'énergie thermique fournie doit être suffisante pour provoquer le ramollissement du polymère thermoplastique. Ensuite, dans une seconde première sous-étape 42, on presse l'une contre 5 l'autre, la surface de l'élément en matériau rigide homogène présentant des anfractuosités et la portion de surface de l'élément en matériau composite ramolli. On les presse ensemble avec des efforts déterminés de manière à entraîner le polymère thermoplastique ramolli et les fibres du matériau composite à l'intérieur des anfractuosités. On observera que l'effort de 10 pressage tient compte de la viscosité du polymère thermoplastique ramolli. Après que les deux éléments ont été pressés l'un contre l'autre et maintenus en position fixe l'un par rapport à l'autre, on refroidit les deux éléments assemblés dans une étape 44 de refroidissement de manière à ce que le polymère thermoplastique redevienne rigide. On obtient de la sorte dans 15 une ultime étape 46, les deux éléments solidaires l'un de l'autre. De la sorte, les fibres de l'élément en matériau composite qui s'étendent à l'intérieur dudit élément, viennent se prolonger à l'intérieur des anfractuosités de l'élément en matériau rigide et y sont rendues prisonnières par coincement à l'intérieur des anfractuosités par l'intermédiaire du polymère thermoplastique 20 refroidi. Partant, bien que de nature différente, les deux éléments sont solidaires l'un de l'autre et forment ensemble une seule pièce, sans discontinuité de résistance mécanique. Selon une seconde variante, et conformément à une première seconde sous-étape 48, on vient tout d'abord presser, l'une contre l'autre, une portion de 25 surface de l'élément en matériau rigide homogène présentant des anfractuosités et une portion de surface de l'élément en matériau composite. Ensuite, selon une deuxième seconde sous-étape 50, on fournit de l'énergie thermique à l'élément en matériau rigide homogène présentant les anfractuosités, par exemple par ultrason ou encore par induction. On observera 30 que l'apport d'énergie thermique par induction pourrait convenir pour un matériau rigide homogène de type polymère, s'il était par exemple chargé de fibres de carbone. 3042196 9 De la sorte, l'énergie thermique se dissipe par conduction par l'intermédiaire des plots du matériau rigide résultant de la formation des anfractuosités. Ainsi, les plots constituent des directeurs d'énergie permettant de focaliser l'énergie thermique directement sur la portion de surface de 5 l'élément composite qui va alors pouvoir se ramollir. Conséquemment, grâce au pressage, à mesure que le polymère thermoplastique se ramollit, il s'insère avec les fibres à l'intérieur des anfractuosités de l'élément en matériau rigide. En outre, on obtient également un contact plus intime avec les plots de l'élément en matériau rigide et partant, une meilleure adhérence du polymère 10 thermoplastique et du métal. Au surplus, une faible partie de polymère thermoplastique du matériau composite est ramollie, de sorte que l'élément composite conserve sa forme durant l'opération de pressage qui est par là-même plus efficace. Après que les deux éléments ont été pressés et chauffés pour être 15 maintenus l'un contre l'autre en position, tout comme la première variante, on refroidit les deux éléments assemblés dans l'étape 44 de refroidissement de manière à ce que le polymère thermoplastique redevienne rigide. On obtient de la même façon, dans une ultime étape 46, les deux éléments solidaires l'un de l'autre. 20 S'agissant du traitement de l'élément en matériau rigide homogène, les différentes topographies illustrées sur les Figures 1 à 5, présentent toutes, une surface spécifique augmentée par rapport à la surface non traitée. En soi, cette surface spécifique permet d'offrir une surface de contact supérieur avec le polymère thermoplastique de l'élément composite. 25 Cependant, le polymère thermoplastique présente des propriétés adhésives plus ou moins grandes selon les types de polymère. Partant, lorsque le polymère est moins adhésif, on met en oeuvre, de manière préférentielle, un élément présentant des plots 40 tels que représentés sur la Figure 5, lesquels présentent des têtes renflées. En pareille circonstance, on comprend que les 30 fibres de renfort du matériau composite viendront s'entrelacer entre les plots formant crochets. De la sorte, l'adhésion du polymère pourra être renforcée par un meilleur accrochage des fibres maintenues continues. Partant, on obtiendra, 3042196 10 malgré la faible adhésion du polymère sur une surface métallique, une force de liaison élevée entre les deux éléments. Lorsque le polymère thermoplastique du matériau composite est par nature fortement adhérent, il est possible de générer des anfractuosités de type 5 pyramidal comme illustrée sur la Figure 4, plus aisées à réaliser que les précédentes, pour pouvoir associer l'élément composite et l'élément métallique avec une bonne adhérence. Quant au type d'anfractuosités réalisées selon les Figures 1 à 3, grâce a des rainures croisées en U, elles permettent d'associer à l'élément rigide, un 10 matériau composite ou le polymère thermoplastique ne nécessite pas d'être ramolli jusqu'à la température de transition vitreuse. En effet, moyennant un faible apport d'énergie thermique, et un effort de pressage important, la géométrie des anfractuosités permet d'engager à force les fibres et le polymère thermoplastique à l'intérieur. REVENDICATIONS1. Procédé de solidarisation d'un élément en matériau composite thermoplastique et d'un élément en matériau rigide homogène, ledit élément en matériau composite thermoplastique comprenant un polymère thermoplastique et des fibres de renfort noyées à l'intérieur dudit polymère thermoplastique, ledit procédé d'assemblage étant du type comprenant les étapes suivantes : - a) on traite la surface desdits éléments ; - b) on applique l'une contre l'autre les surfaces traitées desdits éléments ; et, - c) on presse lesdits éléments l'un vers l'autre pour pouvoir solidariser lesdits éléments l'un à l'autre par leur surface ; caractérisé en ce qu'à l'étape a) on génère des anfractuosités dans la surface dudit élément en matériau rigide homogène ; et en ce qu'on provoque en outre le ramollissement dudit polymère thermoplastique, de manière à pouvoir faire pénétrer ledit polymère thermoplastique ramolli et les fibres de renfort à l'intérieur desdites anfractuosités lorsque l'on presse lesdits éléments à l'étape c). 2. Procédé de solidarisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément en matériau rigide homogène est un élément métallique. 3. Procédé de solidarisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément en matériau rigide homogène est un élément en matériau polymère. 4. Procédé de solidarisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on génère des anfractuosités dans la surface dudit élément en matériau rigide homogène de manière à former une pluralité de plots. 5. Procédé de solidarisation selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on génère des anfractuosités de manière à former une pluralité de plots présentant chacun une tête renflée. 3042196 12 6. Procédé de solidarisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on génère des anfractuosités distribuées régulièrement dans la surface dudit élément en matériau rigide homogène. 7. Procédé de solidarisation selon l'une quelconque des revendications 5 1 à 6, caractérisé en ce qu'on ménage une pluralité de rainures croisées dans ladite surface pour générer lesdites anfractuosités. 8. Procédé de solidarisation selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on ménage lesdites rainures en V. 9. Procédé de solidarisation selon la revendication 7, caractérisé en ce 10 qu'on ménage lesdites rainures en U. 10. Procédé de solidarisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on fournit de l'énergie audit élément en matériau rigide homogène pour provoquer le ramollissement dudit polymère thermoplastique. 15