Les réparations sur les composites à matrice thermodurcissable

Réparation par rivetage ou boulonnage

Cette solution permet de réparer des pièces composites ou métalliques sans effectuer de traitement de surface. Elle est fiable et est utilisée pour réparer des pièces subissant un fort chargement. Néanmoins, l’utilisation de nombreux rivets entraine un surpoids important et peut créer des concentrations de contrainte. Contrairement aux réparations par collage en « scarf » (en entaille) qui permettent de modifier au minimum les propriétés aérodynamiques de la pièce à réparer, les réparations par rivetage ou par boulonnage causent une discontinuité de la surface. Réparation par collage Il existe différentes méthodes de réparations par collage. Une des plus répandues est la réparation en « scarf » qui est expliquée à la Figure 1-10. Cette réparation est caractérisée par son angle d’entaille. La réparation marche par marche est caractérisée par son taux de marche (Figure 1-11). C’est le rapport entre la hauteur d’une marche et sa longueur. La réparation en « scarf » restitue les propriétés structurales du matériau en remplaçant les couches endommagées.

La réparation peut être effectuée sur l’ensemble de l’épaisseur du stratifié ou sur une portion. La partie endommagée est d’abord retirée en formant une entaille biseautée (scarf) à fond plat soit droite ou en escalier. Il est admis qu’un angle d’entaille de 3° offre un bon compromis entre la tenue mécanique et la taille de la réparation (Darwish et Shivakumar, 2014). Le choix du matériau de réparation est important puisqu’il faut penser à sa dilatation thermique et vérifier que sa cuisson ne détériore pas le matériau à réparer. L’empilement de la réparation reprend généralement l’empilement du matériau à réparer. Cependant, certaines méthodes permettent d’optimiser la forme et l’empilement des réparations en fonction de l’emplacement du dommage dans la pièce et des efforts appliqués (Mathias, 2005; Todoroki et Haftka, 1998). Une couche supplémentaire peut être ajoutée en surface pour augmenter la marge de sécurité et réduire les concentrations de contraintes sur la première couche du composite à réparer. Les surfaces de collage sont préparées afin d’augmenter l’adhérence avec les couches de réparation. Elles sont sablées, nettoyées chimiquement, puis séchées.

Un film adhésif est posé sur la surface à réparer. La réparation est ensuite construite en empilant les couches du composite pré-imprégné une à une et en débulant à chaque étape. L’ensemble des couches de la réparation et du film adhésif est cuit à l’aide d’une couverture chauffante permettant divers cycles de chauffe et de refroidissement. La pression est appliquée sur la couverture chauffante à l’aide d’une pompe à vide et d’un sac de moulage. Le choix des divers matériaux est important puisqu’il faut un adhésif et des couches de composites qui ont le même cycle de cuisson. Il faut aussi s’assurer que le cycle de cuisson ne portera pas la structure existante à une température supérieure de la température de transition vitreuse du matériau afin d’éviter toute dégradation du polymère. On appelle ce procédé de cuisson de l’ensemble de couches de réparation et d’adhésif sur la structure existante « co-bonding ». Alternativement, la réparation peut être réalisée et cuite à part dans un four ou un autoclave avant d’être collée sur la structure à réparer. Ce dernier procédé, appelé « secondary bonding », demande une très grande précision géométrique de la plaque de réparation qui doit s’adapter parfaitement sur la structure existante. Le choix de l’adhésif faisant le joint entre la plaque et la structure doit aussi être fait méticuleusement afin d’éviter la détérioration du polymère de la structure ou de la réparation lors de la cuisson. Plusieurs travaux portent sur ce genre de réparations comme celui de Ahn et Springer (1998) qui ont étudié les réparations en entaille et par collage de réparations en surface afin de joindre deux plaques de composite (Figure 1-12). Il y est mis en évidence dans leur cas (entre autre) que :

Les méthodes de réparations de la littérature

Les réparations expliquées précédemment sur les composites thermodurcissables peuvent être applicables aux composites thermoplastiques (Xiao, Hoa et Street, 1994). Néanmoins, certains procédés sont moins efficaces, comme les réparations par collage car l’utilisation des adhésifs, souvent à base d’époxy, et les produits de préparation des surfaces amènent à des résultats significativement moins bons que sur les composites thermodurcissables (Kinloch, Blackman et Teo, 2009). L’utilisation de plus en plus répandue des composites thermoplastiques nous amène à réfléchir à des solutions adaptées. En effet, le caractère thermoplastique de la matrice permet de développer de nouvelles méthodes de réparations puisqu’on peut remettre en forme le composite ou le souder. Il semble donc logique que les réparations spécifiques aux composites thermoplastiques utilisent ces avantages. Une étude de Ong (Ong, Sheu et Liou, 1989) porte sur les réparations par reformage thermique et les réparations par ajout d’une plaque de réparation. Les composites utilisés sont en carbone / polysulfure de phénylène (CF/PPS) et en carbone / polyétherétherkétone (CF/PEEK). Les spécimens sont endommagés par un impact et observés par C-Scan. Ici, le reformage thermique et le collage de plaque de réparation utilisent la procédure de formage originelle du spécimen. La pièce est donc réchauffée à sa température de mise en forme sous l’application d’une pression (celle de moulage). Les échantillons sont ensuite testés en compression. Un autre moyen de réparation envisageable, notamment décrit par Kaden (Kaden, Keck et Voggenreiter, 2011), utilise le principe de la réparation par collage « en escalier » des composites thermodurcissables (partie 1.2.1.2).

Les couches de composite endommagées sont retirées couche par couche par un système de laser UV, permettant une bonne reproductibilité. Le joint entre le composite à réparer et le composite de réparation n’est pas fait par un adhésif, mais grâce à la soudure par résistance (Figure 1-15). Kaden parvient à obtenir un recouvrement de 85% de la résistance en tension du spécimen en utilisant une réparation quasi-isotrope avec un taux de marche de 1:20. Une méthode semblable de réparation utilisant le chauffage par induction est abordée lors de son étude suivante (Kaden et Keck, 2012). La méthode utilisée est de placer une plaque métallique chauffée par induction par-dessus la réparation. Une feuille résistante est placée entre la réparation et la plaque métallique pour éviter le collage de la plaque à l’échantillon. La pression est appliquée à l’aide d’un sac à vide. Une nappe de fibre de verre est utilisée comme couche supplémentaire pour isoler thermiquement l’échantillon. La bobine générant le champ magnétique est placée au-dessus de l’ensemble (Figure 1-16). Une fois les conditions de température et de pression atteinte, le matériau est refroidi jusqu’à sa consolidation (sous pression). Le contrôle de la température se fait de part et d’autre de l’échantillon. La température du dessus de l’échantillon ne doit pas dépasser 400°C alors que la température en dessous doit atteindre environ 390°C. Un des avantages de cette méthode est que le champ magnétique permet aussi une chauffe dans le composite à réparer et dans la réparation puisque les fibres sont conductrices. Cette étude n’indique malheureusement pas la qualité des joints obtenus.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Endommagement des composites
1.1.1 Les différents types de dommages et leurs sources
1.1.2 Détection des dommages
1.2 Les réparations
1.2.1 Les réparations sur les composites à matrice thermodurcissable
1.2.1.1 Réparations cosmétiques
1.2.1.2 Réparations structurales
1.2.2 Les réparations sur les composites à matrice thermoplastique
1.2.2.1 Les composites thermoplastiques
1.2.2.2 Les méthodes de réparations de la littérature
1.3 Le soudage
1.3.1 Principe du soudage
1.3.2 Soudage par induction
1.4 Caractérisation
1.5 Conclusion de la revue de la littérature
CHAPITRE 2 DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE
2.1 Introduction
2.2 Fabrication des plaques de composite
2.3 Fabrication des réparations
2.4 Fabrication des inserts
2.5 Matériaux
2.6 Positionnement de la réparation
2.7 Montage de soudure
2.8 Soudage des réparations
2.9 Caractérisation
2.10 Méthodes de réparation
CHAPITRE 3 RÉSULTATS
3.1 Essais de références : échantillons sains et échantillons endommagés
3.2 Capacité de chargement en traction des échantillons réparés
3.2.1 Réparations unidirectionnelles non pré-consolidées simples
3.2.2 Réparations unidirectionnelles pré-consolidées simples
3.2.3 Réparations quasi-isotropes pré-consolidées simples
3.2.4 Réparations doubles
3.2.5 Effet de la longueur de réparation sur les réparations quasi-isotropes
pré-consolidées simples
3.3 Effet des réparations sur le module d’élasticité
3.4 Effets d’un insert sur l’échantillon réparé
3.5 Observation des ruptures
3.6 Micrographies
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I CRÉATION ET POSITIONNEMENT DE L’ÉCHANTILLON DANS
LE MONTAGE DE SOUDAGE PAR INDUCTION
ANNEXE II OUTIL DE CENTRAGE DES RÉPARATIONS
ANNEXE III DÉCOUPE ET CARTOGRAPHIES DES PLAQUES
ANNEXE IV RÉPARATIONS EN ESCALIER
ANNEXE V TEMPÉRATURES DE SOUDAGE
ANNEXE VI FICHE TECHNIQUE DU MATÉRIAU CF/PPS UTILISÉ
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES