Brevet FR3076248A1 — publié le 20190705

ASSEMBLAGE DE PIECES EN MATERIAU THERMOPLASTIQUE ET PROCEDE D'ASSEMBLAGE DE TELLES PIECES PAR RIVETAGE THERMOPLASTIQUE DOMAINE TECHNIQUE [0001] L'invention se rapporte a un assemblage de pieces composites a matrice thermoplastique, et a un procede d'assemblage de telles pieces par rivetage thermoplastique. Elle concerne plus particulierement l'assemblage de pieces a matrice thermoplastique a haute performance mecanique (resistance, deformation, etc.), utilisees notamment, mais non exclusivement, en aeronautique. [0002]Dans le domaine de l'aeronautique, un rivetage destine a assembler des pieces doit realiser une jointure sans defaut, en particulier sans risque d'ouverture par cisaillement. Dans ce domaine, diverses methodes d'assemblage sont utilisees pour des pieces en metal ou en materiau composite. Classiquement, les pieces metalliques sont generalement jointees par vis et ecrous. Par exemple, le brevet de document FR 2 622 257 decrit un tel rivetage metallique de grands panneaux avec pre-pergage et pre-rivetage a intervalles reguliers. [0003] Concernant l'assemblage de materiaux composites, plusieurs autres techniques sont egalement developpees: par renforcement des panneaux a souder et utilisation de fixation metalliques, eventuellement apres une etape de collage; par jointage de type « couture >> avec un fil presentant une haute resistance a la traction (a base de « kevlar », de fibres de verre ou de carbone, etc.) et un type d'aiguille adapte. [0004] Ces techniques connues sont d'ordinaire denommees en terminologie anglaise : stitching (couture), tufting (piquage), lock stitching (point no*, ou Z-pinning (epinglage). Avantageusement, la couture peut "etre renforcee par une injection de resine, apres la realisation du jointage. Mais ces techniques sont difficilement applicables aux materiaux thermoplastiques, qui presentent une rigidite importante a temperature ambiante. 2 ETAT DE LA TECHNIQUE [0005] Sur les portes passagers des avions commerciaux bases sur une architecture structure raidie / panneau pressurise, ('interface entre les semelles de la structure raidie et le panneau assure la tenue a l'arrachement induit par le 5 chargement en pressurisation du panneau. La non-propagation de defaut (tel qu'un delaminage resultant d'un dommage d'impact peu visible en abrege « BVID ») pouvant apparaitre au sein du materiau composite constitutif de ('architecture. [0006] Des solutions ont permis d'ameliorer ('assemblage de pieces en 10 materiau composite thermodurcissable, mais ces solutions ne s'adaptent pas au cas de pieces en materiau composite thermoplastique. Une methode d'assemblage de pieces thermoplastiques dite T.A.P. (acronyme de « Thermally Assisted Pinning » en terminologie anglaise), preconise de chauffer des aiguilles au-dessus de la temperature de fusion de la resine puis de percer les deux pieces 15 thermoplastiques a assembler. L'extremite de l'aiguille qui depasse de l'autre cote des deux pieces thermoplastiques est ensuite coupee, la portion d'aiguille restant dans l'epaisseur du materiau servant au jointage des deux pieces. Cette methode presente !Inconvenient de favoriser le contact resine-metal qui presente une mauvaise tenue a l'arrachement, ce qui est un point particulierement critique dans 20 les domaines 00 les pieces subissent des contraintes mecaniques elevees, en particulier dans le domaine aeronautique ou spatial. [0007] Une autre solution, presentee dans le document de brevet US 5 186 776, preconise une methode de rivetage d'un materiau composite par des broches metalliques inserees dans le materiau composite chauffe et soumis a des 25 vibrations de type ultrasons, cette broche etant de preference inseree avec un outil cylindrique entourant la broche. Mais ('utilisation d'ultrasons n'est adaptee qu'a des broches metalliques et presente egalement !Inconvenient du contact resine-metal. EXPOSE DE L'INVENTION 30 [0008] L'invention vise a s'affranchir de ces inconvenients et pour ce faire, ('invention prevoit d'utiliser une jonction de rivetage en materiau plastique 3 compatible avec des pieces composites a matrice thermoplastique tout en presentant des caracteristiques de haute resistance mecanique, en particulier de tenue a l'arrachement. [0009] Plus precisement la presente invention a pour objet un assemblage 5 de pieces composites a matrice thermoplastique. Un tel assemblage comporte une pluralite de points de rivetage le long de zones des pieces se recouvrant par superposition de deux faces de ces zones disposees en regard. Chaque zone presente une autre face opposee qui reste apparente avec la piece. Dans ce systeme d'assemblage, le rivetage est realise par des liens d'assemblage en 10 materiau composite a base de resine thermoplastique compatible avec le materiau des pieces. Ces liens sont noyes dans lesdites zones et les traversent de part en part perpendiculairement a leurs faces. [0010] Le terme q piece » est generique et designe aussi bien un panneau, un carenage, une peau, une poutre, un cadre, une lisse, une traverse, 15 un voile, un support ou tout autre element a assembler. [0011]Selon des modes de realisation preferes : - le lien d'assemblage est constitue d'une matiere composite choisie entre une resine renforcee en fibres continues, une resines renforcee en fibres de longueurs adaptees, en particulier courtes ou longues en fonction du materiau 20 composite des pieces assemblees et/ou de l'epaisseur de ces pieces, la resine etant sectionnee sur place apres insertion ; - le lien d'assemblage se presente sous une forme choisie entre un toron, une agrafe couplant deux torons adjacents par une resine en fibres continues, un point de couture, une combinaison de toron ou agrafe et de point de couture, et un 25 insert; avantageusement, ces differents types de liens coexistent dans un mOme assemblage de pieces ; - le point de couture est un point en piqué (ou tufting), le fil de couture presente alors une haute resistance a la traction; ainsi, ('impact negatif sur les performances physiques est reduit, les deux pieces reunies par jointage 30 presentant une meilleure resistance a l'arrachement et au cisaillement ; - les pieces sont constituees en stratifies a hautes performances physiques de niveau aeronautique ou spatial, par exemple a matrice 4 thermoplastique a base de PPS (polysulfure de phenylene), PEEK (polyetherethercetone), PEKK (polyethercetonecetone), PEI (polyetherimide), PAI (polyamide imide), ou PI (polyimide) en fonction de ('excellence des qualites a prioriser (resistance a la compression, aux chocs, aux agents chimiques, a la 5 temperature, etc.), renforcee par des fibres de verre, de bore, de carbone ou tout autre materiau a fibres de renfort tisse ou non tisse; - les zones des pieces a assembler peuvent se situer dans toute partie de ces pieces, aussi bien en bordure que dans des parties internes et centrales, et independamment de l'une ou l'autre piece. 10 [0012] L'invention se rapporte egalement a un procede d'assemblage de pieces par rivetage thermoplastique a l'aide de panneaux de chauffe perces transversalement, ce procede se deroulant selon les etapes suivantes : - recouvrement des pieces par superposition de deux faces de deux zones en regard, chaque piece presentant une autre face opposee qui reste 15 apparente; - mise en place sur chaque face de zone apparente d'un panneau de chauffe perce de sorte que les pergages sont positionnes en regard; - chauffage des zones des pieces a partir de leurs faces opposees par les panneaux de chauffe jusqu'a une temperature inferieure au point de fusion du 20 materiau a matrice thermoplastique des pieces pour amorcer la fusion des zones des faces superposees, les zones pouvant representer la totalite des pieces; - insertion d'au moins une pointe de pergage au travers d'un premier panneau de chauffe, avec percement successif de la premiere et de la deuxieme piece de sorte a creer au moins un alesage cylindrique; 25 - retrait de la pointe de pergage, ce retrait pouvant "etre effectue par continuite de deplacement dans le mOme sens (« marche avant ») ou dans le sens contraire (« marche arriere ») ; - insertion d'un lien d'assemblage en materiau thermoplastique dans chaque alesage cylindrique jusqu'a la face apparente de la deuxieme piece; 5 - retrait des panneaux de chauffe perces et installation a leur place d'un outillage de consolidation par chauffage sous pression, pour fusionner la matiere constituante du lien d'assemblage avec celle des pieces, puis refroidissement. [0013] Selon des modes de mise en 09 uvre preferes: 5 - le lien d'assemblage en materiau thermoplastique est un element de renfort qui presente une forme complementaire de l'alesage cylindrique; - dans ce cas, une coupe du lien d'assemblage depassant de la face apparente de la premiere piece est effectuee apres le retrait du premier panneau de chauffe et avant ('installation de l'outillage de consolidation; 10 - le lien d'assemblage en materiau thermoplastique est la formation d'un point de couture entre deux fils par le passage d'une aiguille de couture dans l'alesage cylindrique. [0014] Selon des modes de mise en 09 uvre particulierement avantageux, le procede selon ('invention peut prevoir de: 15 - automatiser des etapes d'assemblage simultane de plusieurs pieces a assembler, en particulier une grille de pergage des pieces peut "etre utilisee pour un pergage simultane des pieces par les pointes de pergage ; - dans le cas ou le lien d'assemblage est un element de renfort, d'entrainer cet element a la suite de la pointe de pergage qui sort du materiau 20 thermoplastique en se deplagant dans le sens de son introduction; - usiner une Cote fraisee sur la premiere zone avant de la prolonger par le pergage afin de faciliter !Insertion du lien d'assemblage, ('element de renfort ou le point de couture, et - amenager un creux de bouterollage dans le deuxieme panneau de 25 chauffe mis en place contre la face apparente de la deuxieme piece, afin d'ancrer ('element de renfort sur cette face en formant un bourrelet apres compression et chauffage. [0015] L'assemblage par rivetage thermoplastique est renforce par la geometrie des alesages cylindriques: diametre, distance entre les lignes d'alesage, 30 distance entre les alesages d'une mOme ligne. Cet assemblage est egalement renforce par les caracteristiques des torons ou des pattes des agrafes: nature de la 6 resine du materiau, identique ou physico/chimiquement compatible avec le materiau des pieces a assembler; typologie des fibres continues ou adaptees en longueur, et leur charge metallique suffisante pour permettre une continuite electrique. Les materiaux mis en 09 uvre pour les pieces d'assemblage sont de mame nature, soit 5 semblables soit au moins physico/chimiquement compatibles. [0016] Ce procede peut s'appliquer en particulier au renforcement d'assemblage de pieces déjà solidarisees par soudage, induction, collage ou tout moyen equivalent, lors de la construction, en maintenance ou en reparation. [0017] L'invention a egalement pour objet un equipement a haute 10 resistance mecanique, tel qu'une structure d'aeronef ou de satellite (en particulier: porte d'avion, caissons (de mat, de voilure, de case de train, de derive, etc.), fuselage, aile ou cellule d'aeronefs et de satellites, panneaux, etc.) comportant une architecture a structure raidie et panneau pressurise en materiau composite, dans laquelle des structures et panneaux sont assembles selon ('assemblage de pieces 15 defini precedemment, en particulier par mise en 09 uvre du procede decrit ci-dessus. PRESENTATION DES FIGURES [0018]D'autres donnees, caracteristiques et avantages de la presente invention apparaitront a la lecture de la description non limitee qui suit, en reference aux figures annexees qui representent, respectivement : 20 - la figure 1, une vue d'un exemple de realisation d'etapes du procede d'assemblage par rivetage thermoplastique de deux pieces en materiau thermoplastique ; - la figure 2, une variante du procede de la figure 1 utilisant un point de couture ; 25 - la figure 3, une vue d'un rivetage selon un exemple de realisation de ('invention utilisant une agrafe ; et - la figure 4, une variante du procede de la figure 1 utilisant un alesage cylindrique pour toron avec une tate fraisee et une extremite bombee au moyen d'un outillage de bouterolle. 7 [0019] Sur les figures du present texte, des elements identiques ou analogues sont reperes par un mOme signe de reference qui renvoie au(x) passage(s) de la description qui le mentionne(nt). DESCRIPTION DETAILLEE 5 [0020] La figure 1 presente un exemple en sept etapes principales du procede d'assemblage selon ('invention par rivetage thermoplastique de deux pieces 2a, 2b d'architecture de porte d'avion en materiau thermoplastique. Dans cet exemple, les pieces 2a, 2b sont assemblees par leurs zones d'extremite delimitees par leurs bords 10a et 10b, mais le procede peut s'appliquer a 10 ('assemblage de pieces dans des zones situees au centre de ces pieces. Le materiau thermoplastique est ici du PEEK (polyether-ether-cetone de phenylene). Ce rivetage comporte ('utilisation d'une pointe de pergage 1, deux panneaux de chauffe perces 3a et 3b pour le passage de la pointe de pergage 1, ainsi que de deux panneaux de chauffe non perces 30a et 30b. 15 [0021]Ce procede se deroule selon les etapes suivantes : - etape 1 : superposition des bords 10a et 10b des pieces 2a, 2b en materiau thermoplastique, ces bords 10a, 10b presentant alors chacun: une face de bord apparente 11a, 11 b, et une face de bord centrale 12a, 12b non apparente accolee a l'autre face de bord centrale 12b, 12a; et mise en place sur chaque face 20 de bord apparente 11a, 11 b d'un panneau de chauffe perce 3a, et 3b; - etape 2 : chauffage par les panneaux de chauffe perces 3a et 3b, des bords 10a et 10b des deux pieces en materiau thermoplastique 2a, 2b, ce chauffage etant realise a une temperature legerement inferieure au point de fusion du materiau thermoplastique; la fusion entre les faces centrales non 25 apparentesl2a et 12b etant ainsi progressivement amorcee; - etapes 3 et 4 : insertion d'une pointe de pergage 1 (fleche FO) au travers des panneaux de chauffe perces 3a et 3b, avec percement quasi-simultane d'un premier bord 10a puis d'un deuxieme bord 10b des deux pieces en PEEK afin de realiser un alesage cylindrique 5 a base circulaire dans ('exemple; puis la pointe 30 de pergage 1 est retiree soit en se deplagant dans le mOme sens qu'a son 8 introduction (en " marche avant ") comme dans l'exemple, soit en se deplagant dans le sens contraire (en " marche arriere "); - etape 5 : remplacement d'un des panneaux de chauffe perce (le premier panneau 3b dans cet exemple de realisation), par un panneau de chauffe non 5 perce 30b, afin de permettre une chauffe homogene des deux bords 10a et 10b; puis remplacement du deuxieme panneau de chauffe perce 3a, decouvrant ainsi la face de bord apparente 11a; un toron 6 en materiau composite a matrice thermoplastique, en PEEK dans l'exemple, est alors insere dans l'alesage cylindrique 5 au moyen d'un outil 60 (fleche F1); 10 - etape 6 : le toron 6 est coupe sur place a la bonne hauteur - c'est-a-dire depassant a peine de la face de bord 11a - au moyen d'un outil 61 (fleche F2); - etape 7 : un panneau de chauffe non perce 30a est place sur la face decouverte 11a, recouvrant egalement le toron 6 coupe ; puis les deux panneaux de chauffe non perces compriment et chauffent les deux bords 10a et 10b des 15 pieces en materiau thermoplastique; ainsi, ce chauffage permet de fusionner les deux faces centrales non apparentes 12a et 12b ainsi que, avantageusement, de la matiere stratifiee de renforcement a haute performance mecanique (en PEEK et fibres de carbone dans ('exemple) des pieces d'assemblage avec celle des deux bords 10a et 10b. 20 [0022] La figure 2 presente une variante du procede de la figure 1 concernant l'utilisation d'un point de couture, realise au moyen de deux fils 14 et 15. Ces fils sont en fibres enrobees de resine thermoplastique, en « kevlar » dans l'exemple, qui presentent une haute resistance a la traction. Alternativement, le « kevlar » peut "etre remplace par des fibres de carbone ou de verre. Les etapes 1 25 a 4 de la figure 1 sont identiques a celles du procede utilisant un toron. Puis, pour l'utilisation d'un point de piquage (ou « tufting D en terminologie anglaise), on insere, dans l'alesage cylindrique 5, une aiguille de couture 13 du cote du bord 10a (etape 5'). L'aiguille de couture 13 porte le fil 14, et ce fil 14 vient se nouer avec l'autre fil 15 qui longe le bord 10b (etape 6'). D'autres types de points de 30 couture sont egalement utilisables (point noue, etc.). [0023] La figure 3 illustre un exemple d'utilisation d'une agrafe 20, dans le cadre du procede d'assemblage par rivetage thermoplastique des deux bords 10a 9 et 10b des pieces en materiau thermoplastique. Une agrafe 20, en materiau thermoplastique a fibres continues, est inseree simultanement dans deux alesages adjacents 5 (cf. figure 1, etape 4) de rivetage thermoplastique selon ('invention, au moyen de ses deux pattes 21 et 22. La partie de jonction centrale 5 23 de ('agrafe 20 est aplatie au cours du chauffage contre le bord 10b par les panneaux de chauffe 30a et 30b. [0024] Les vues schematiques de la figure 4 presentent une variante des dernieres etapes du procede de la figure 1, utilisant un alesage cylindrique particulier 5' pour inserer (fleche F3) le toron 6. Cet alesage 5' est usine avec une 10 tete fraisee conique pour former une entrée evasee 40 (etape 4'), afin de faciliter ('insertion du toron 6. Apres insertion, le toron 6 est decoupe de sorte a laisser une portion d'extremite en exces surplombant la face 11a. Un « bombage » de son autre extremite est realise au moyen d'un outillage de bouterolle qui forme un creux de bouterollage 41 dans le panneau de chauffe 30'b (etape 4'). Par 15 compression et chauffage a ('aide des panneaux 30a et 30'b, I'autre extremite du toron 6 est bombee en forme de bourrelet demi-spherique 62 (etape 7'). L'entree evasee 40 et le creux de bouterollage 41 permettent ainsi un ancrage optimise du toron 6, la matiere en exces occupant I'espace libre des creux 40 et 41, creant ainsi des extremites elargies au toron 6. 20 [0025] L'invention n'est pas limitee aux exemples de realisation decrits et representes. Ainsi, dans le systeme de chauffage, la partie chauffante peut "etre la pointe de pergage au lieu des panneaux de chauffe. Ou encore, des panneaux de chauffe non perces peuvent completer les panneaux de chauffe perces an cours des etapes du procede. 25 [0026] Les alesages cylindriques realises dans les panneaux de chauffe peuvent "etre a base circulaire, REVENDICATIONS1. Assemblage de pieces composites (2a, 2b) a matrice thermoplastique, comportant une pluralite de points de rivetage le long de zones (10a, 10b) des pieces se recouvrant par superposition de deux faces (12a, 12b) de ces zones (10a, 10b) disposes en regard, chaque zone (10a, 10b) presentant une autre face opposee (11a, 11b) qui reste apparente avec la piece (2a, 2b), caracterise en ce que le rivetage est realise par des liens d'assemblage (6 ; 14, 15 ; 20) en materiau composite a base de resine thermoplastique compatible avec le materiau des pieces (2a, 2b), ces liens (6 ; 14, 15 ; 20) etant noyes dans lesdites zones (10a, 10b) et les traversent de part en part perpendiculairement a leurs faces (11a, 11b; 12a, 12b). 2. Assemblage selon la revendication 1, dans lequel le lien d'assemblage (6 ; 14, 15 ; 20) est constitue d'une matiere composite choisie entre une resine renforcee en fibres continues et une resines renforcee en fibres de longueurs adaptees. 3. Assemblage selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le lien d'assemblage (6 ; 14, 15 ; 20) se presente sous une forme choisie entre un toron (6), une agrafe (20) couplant deux torons adjacents par une resine en fibres continues, un point de couture (14, 15), une combinaison de toron ou agrafe et de point de couture, et un insert. 4. Assemblage selon la revendication precedente, dans lequel le point de couture (14, 15) est un point en piqué, le fil de couture presentant alors une haute resistance a la traction. 5. Assemblage selon l'une quelconque des revendications precedentes, dans lequel les pieces (2a, 2b) sont constituees en stratifies a hautes performances physiques de niveau aeronautique ou spatial. 6. Procede d'assemblage de pieces (2a, 2b) par rivetage thermoplastique a l'aide de panneaux de chauffe (3a, 3b) perces transversalement, ce procede se deroulant selon les etapes suivantes : 11 - recouvrement des pieces (2a, 2b) par superposition de deux faces (12a, 12b) de zones en regard (10a, 10b), chaque piece (2a, 2b) presentant une autre face opposee (11a, 11 b) qui reste apparente avec la piece (2a, 2b); - mise en place sur chaque face de zone apparente (11a, 11b) d'un 5 panneau de chauffe perce (3a, 3b) de sorte que les pergages sont positionnes en regard; - chauffage des zones (10a, 10b) des pieces (2a, 2b) a partir de leurs faces opposees (11a, 11b) par les panneaux de chauffe (3a, 3b) jusqu'a une temperature inferieure au point de fusion du materiau a matrice thermoplastique 10 des pieces pour amorcer la fusion des zones (10a, 10b) des faces superposees (12a, 12b); - insertion d'au moins une pointe de pergage (1) au travers d'un premier panneau de chauffe (3a), avec percement successif de la premiere (2a) et de la deuxieme (2b) piece de sorte a creer au moins un alesage cylindrique (5 ; 5'); 15 - retrait de la pointe de pergage (1), ce retrait pouvant "etre effectue par continuite de deplacement dans le mOme sens (« marche avant ») ou dans le sens contraire (« marche arriere »); - insertion d'un lien d'assemblage (6; 14, 15 ; 20) en materiau thermoplastique dans chaque alesage cylindrique (5, 5') jusqu'a la face apparente 20 (12b) de la deuxieme piece (10b); - retrait des panneaux de chauffe perces (3a, 3b) et installation a leur place d'un outillage de consolidation par chauffage sous pression (30a, 30b), pour fusionner la matiere constituante du lien d'assemblage (6 ; 14, 15 ; 20) avec celle des pieces (2a, 2b), puis refroidissement. 25 7. Procede d'assemblage selon la revendication precedente, dans lequel le lien d'assemblage (6) en materiau thermoplastique est un element de renfort qui presente une forme complementaire de ('alesage cylindrique (5 ; 5'). 8. Procede d'assemblage selon la revendication precedente, dans lequel une coupe du lien d'assemblage (6, 20) depassant de la face apparente 30 (12a) de la premiere piece (10a) est effectuee apres le retrait du premier panneau de chauffe (3a, 3b) et avant ('installation de ('outillage de consolidation (30a, 30b). 12 9. Procede d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, dans lequel dans le cas 00 le lien d'assemblage (6, 6') est un element de renfort, cet element est entraine a la suite de la pointe de pergage (1) qui sort du materiau thermoplastique (10a, 10b) en se deplagant dans le sens de son 5 introduction. 10. Procede d'assemblage selon la revendication 6, dans lequel le lien d'assemblage en materiau thermoplastique est la formation d'un point de couture (14, 15) entre deux fils par le passage d'une aiguille de couture (13) dans l'alesage cylindrique (5). 10 11. Procede d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 6 a 10, dans lequel il est prevu d'automatiser des etapes d'assemblage simultane de plusieurs pieces a assembler. 12. Procede d'assemblage selon la revendication precedente, dans lequel une grille de pergage des pieces (2a, 2b) est utilisee pour un pergage 15 simultane des pieces (2a, 2b) par les pointes de pergage (1). 13. Procede d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 6 a 12, dans lequel il est prevu d'usiner une Cote fraisee (40) sur la premiere zone (10a) avant de la prolonger par le pergage (5'). 14. Procede d'assemblage selon l'une quelconque des 20 revendications 6 a 13, dans lequel un creux de bouterollage (41) est amenage dans le deuxieme panneau de chauffe (30'b) mis en place contre la face apparente (11 b) de la deuxieme piece (2b), afin d'ancrer ('element de renfort (6) sur cette face (11b) en formant un bourrelet (62) par compression et chauffage. 15. Equipement a haute resistance mecanique comportant une 25 architecture a structure raidie et panneau pressurise en materiau composite, caracterise en ce que des structures et panneaux (2a, 2b) sont assembles conformement a ('assemblage de pieces selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, par mise en 09 uvre du procede selon l'une quelconque des revendications 6 a 15.