SIMPACOS, modélisations et simulations d'assemblages collés structuraux en fonctionnalisation duale tenue-fragmentation

SIMPACOS modeling and simulations of structural bonded assemblies with dual functionalization of strength and disassembly

• Auteur / Autrice : Lorraine Aparecida Silva
• Direction : Christine Espinosa, Lucas Filipe Martins da Silva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 04/07/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Lauro, Julien Jumel, Valérie Nassiet, Till Vallée
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Silvio Romero de Barros

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie aéronautique

Assemblages collés

Recyclage

Matériaux

Mots clés libres

Modèles numériques

Désassemblage contrôlée

Désassemblage contrôlée

Joint collées

Accostage

Polymères

Particules expansibles thermiquement

Numerical models

Controlled disassembly

Bonded joints

Spreading

Polymers

Thermally expandable particles

Résumé

Afin de s'adapter aux nouvelles exigences du développement durable, la nécessité de réutilisation et de recyclage s'impose dans le secteur industriel aérospatial. Les recherches de nouveaux concepts ou solutions pour des structures, fondés sur les principes "Design for Demise (D4D)" ou "Debonding On Demand (DoD)", sont des stratégies prometteuses pour fiabiliser la réutilisation des ressources originelles ou les opérations de retrait de service responsables. Il reste toutefois primordial d'assurer la résistance des structures pour ne pas compromettre la sécurité des biens et des personnes. Le collage est une technologie d'assemblage déjà utilisée dans le secteur aérospatial. Etudier des assemblages collés multimatériaux assurant cette double fonction de tenue en service et de démantèlement en fin de service est l'enjeu de cette thèse. Le verrou scientifique consiste en la définition des propriétés géométriques et matérielles de ces structures dès la phase de conception permettant d'accomplir ces deux fonctions duales de tenue et de fragmentation contrôlée tout en assurant leur intégrité depuis leur fabrication. C'est la fonctionnalisation du joint. L'utilisation des particules thermiquement expansibles (TEP) n'impose pas des grandes adaptations de fabrication et elles peuvent activer dès que le démantèlement est désiré, via un contrôle de la température locale. Ce travail a trois objectifs principaux : étudier l'influence des TEP sur le comportement de l'adhésif liquide (viscosité, étalement) ; étudier l'influence des TEP sur la tenue mécanique après séchage ; contrôler le démantèlement. La première partie du travail porte donc sur l'étude de l'accostage, processus de rapprochement de deux substrats qui emprisonne la colle liquide et la distribue dans l'espace qui les sépare (contrôlé par l'épaisseur finale désirée). Le collage est assuré grâce à l'application de forces jusqu'au séchage. Le travail s'est attaché à étudier si et comment la présence des TEP modifie la capacité d'étalement de la colle et les forces à appliquer. Un nouveau dispositif expérimental avec sa métrologie a été entièrement conçu, développé et opéré. Ce dispositif est capable d'observer l'étalement et de mesurer les forces de réaction en temps réel. Il a été utilisé dans différentes configurations typiques du domaine aérospatial, comme par exemple pour préparer la réparation d'une structure en nid d'abeille par un patch composite. La tenue de joints collés à différents taux de remplissage avec des TEP a été étudiée dans la seconde partie, via des essais normalisés (SENB, traction uniaxiale, DMA, DSC). Les faciès de rupture ont été analysés aux microscopes à balayage et confocal, et au tomographe. Ce travail montre que la distribution des particules conditionne la distribution des résistances à ruptures. Le comportement jusqu'à rupture peut être modélisé via une loi de probabilité de type Weibull. Plusieurs lois sont proposées selon le taux de TEPs, à travers le dialogue essais numériques et essais expérimentaux sur matériaux polymérisés. La dernière partie du travail s'est rapportée à l'étude comparée essais calculs du démantèlement des structures assemblées. Nous nous sommes particulièrement intéressés à des moyens de contrôler le seuil de rupture en contrainte et la séparation des substrats sans endommager leur surface. La méthode de travail a consisté ici à fabriquer différents mélanges et à concevoir un dispositif pour forcer la rupture. Ce travail est en cours de finalisation et fait l'objet d'un dépôt de brevet en cours.

In order to adapt to the new requirements of sustainable development, the need for reuse and recycling is becoming crucial in the aerospace industry. Research into new concepts or solutions for structures, based on the principles of Design for Demise (D4D) or Debonding On Demand (DoD), are promising strategies for reliable reuse of original resources or responsible retirement operations. However, it is still important to ensure the strength of the structures so as not to compromise the safety and security of goods and people. Adhesive bonding is a joining technology currently used in the aerospace sector. The study of multi-material bonded assemblies ensuring this dual function of in-service performance and end-of-service dismantling is the challenge of this thesis. The scientific challenge is to define the geometric and material properties of these structures from the design phase, which will enable them to perform these two dual functions of holding and controlled fragmentation while ensuring their integrity since their manufacture. This is the functionalization of the joint. The use of thermally expandable particles (TEPs) does not require major manufacturing adaptations and they can be activated as soon as dismantling is desired, via local temperature control. This work has three main objectives: to study the influence of TEPs on the behaviour of the liquid adhesive (viscosity, spreading); to study the influence of TEPs on the mechanical strength after drying; and to control dismantling. The first part of the work therefore focuses on the study of the approach, a process of approximating two substrates that traps the liquid adhesive and distributes it in the space between them (controlled by the desired final thickness). The bonding assembly is achieved by applying forces until drying. The work investigated whether and how the presence of TEPs modifies the spread ability of the adhesive and the forces to be applied. A new experimental device with its metrology was fully conceived, developed and operated. This device is capable of observing the spreading and measuring the reaction forces in real time. It was used in different configurations typical of the aerospace field, for example in preparation for the repair of a honeycomb structure with a composite patch. In the second part, the performance of bonded joints at different filling rates with TEPs was studied, using standard tests (SENB, uniaxial tension, DMA, DSC). The fracture surfaces were analysed with scanning and confocal microscopes, and tomography. This work shows that the distribution of particles conditions the distribution of fracture strengths. The behaviour until failure can be modelled via a Weibull-type probability law. Several laws are proposed according to the rate of TEPs, through the dialogue of numerical tests and experimental tests on cured materials.