In-Situ Pin-Caulking: Effect of Self-Piercing Geometry and Pin Arrangement on Metal/CFRT Joints

L'ingénierie moderne repose de plus en plus sur le mélange de différents matériaux pour construire des structures plus légères et plus résistantes. Une stratégie courante consiste à associer des métaux, qui sont tenaces et ductiles, à des composites avancés composés de fibres continues noyées dans du plastique. Ces feuilles renforcées de fibres sont incroyablement résistantes dans la direction des fibres, mais peuvent être fragiles et difficiles à assembler avec les méthodes traditionnelles. Les coller nécessite de longs temps d'attente et une préparation de surface parfaite, tandis que percer des trous pour insérer des boulons ou des rivets sectionne les fibres porteuses de charge et crée des points faibles où des fissures peuvent démarrer. Pour résoudre ce problème, les ingénieurs se sont tournés vers une technique où de petites broches métalliques sont formées directement à partir de la feuille de métal et poussées dans le composite. Au lieu de simplement reposer dans un trou, ces broches sont conçues pour s'étendre ou s'évaser au fond, créant un crochet mécanique qui verrouille les deux matériaux ensemble sans nécessiter de pièces supplémentaires. Cette méthode, connue sous le nom de calage de broche in situ (in-situ pin caulking), combine l'acte de percer un trou, d'insérer la broche et de l'évaser en une tête, le tout en un seul mouvement rapide.

Le défi réside dans le fait que la broche change de forme pendant ce processus. Elle commence comme une pièce de métal solide, mais elle est forcée de se déformer lorsqu'elle pénètre dans le composite plastique. Des chercheurs de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ont entrepris de comprendre comment la forme initiale de la broche et l'arrangement de plusieurs broches affectent la résistance finale de l'assemblage. Ils ont comparé deux conceptions spécifiques : une broche cylindrique pleine standard et une broche « auto-perçante » dotée de parois minces conçues pour s'étendre vers l'extérieur comme les pétales d'une fleur lorsqu'elle est poussée. Ils ont testé ces broches dans diverses configurations, d'une seule broche à des groupes de quatre, en les joignant à une feuille de plastique renforcé de fibres de verre. L'objectif était de voir si la façon dont les broches étaient disposées modifiait la force nécessaire pour créer l'assemblage et la charge que la connexion finale pouvait supporter.

Les chercheurs ont découvert que la broche auto-perçante était nettement plus efficace que la broche pleine. Parce que les parois minces de la broche auto-perçante pouvaient se plier vers l'extérieur facilement, elle nécessitait moins de force pour traverser le matériau et former le crochet de verrouillage. Dans le groupe de test le plus large comprenant quatre broches, la conception auto-perçante nécessitait vingt-cinq pour cent de force en moins pour créer l'assemblage que la broche pleine. Bien qu'utilisant moins d'énergie pour réaliser la connexion, les broches auto-perçantes créaient un crochet tout aussi large, voire légèrement plus large, que celui réalisé par la broche pleine. Cela signifie que l'assemblage n'était pas plus faible ; en fait, il était plus solide. Lorsque les chercheurs ont tiré sur les assemblages pour les séparer, les broches auto-perçantes ont supporté beaucoup plus de poids. Dans la configuration à quatre broches, l'assemblage auto-perçant pouvait supporter près de trois fois la force de traction normale et une fois et demie la force de cisaillement par rapport à l'assemblage à broche pleine.

Une découverte cruciale fut la manière dont les broches se comportaient lorsqu'elles étaient placées de près. Pour les broches pleines, la résistance de l'assemblage dépendait fortement de leur disposition par rapport à la direction des fibres dans la feuille de plastique. Si les broches étaient alignées le long des fibres, l'assemblage était plus faible que si elles étaient placées côte à côte à travers les fibres. Cela se produisait parce que les broches pleines reposaient sur la friction et sur la façon dont le plastique se comprimait autour d'elles, ce qui était influencé par le matériau environnant. Les broches auto-perçantes, cependant, se comportaient différemment. Leur résistance restait constante quel que soit leur arrangement. Cela suggère que le mécanisme de verrouillage de la broche auto-perçante est déterminé principalement par la forme de la broche elle-même après sa formation, plutôt que par l'interaction complexe avec les fibres environnantes. Les parois minces de la broche auto-perçante s'étendent pour créer un crochet qui agrippe efficacement le matériau sans être aussi sensible à l'arrangement local des fibres.

L'étude conclut que la broche auto-perçante offre une solution supérieure pour assembler ces matériaux mixtes. Elle permet d'obtenir une connexion plus forte et plus fiable tout en nécessitant moins de force pour la fabrication. Cette efficacité est particulièrement importante pour passer à l'échelle de structures plus grandes, où l'utilisation de nombreuses broches est nécessaire. Les broches pleines devenaient moins efficaces à mesure que leur nombre augmentait, nécessitant plus de force pour chaque broche supplémentaire sans gain proportionnel de résistance. Les broches auto-perçantes maintenaient leur efficacité, offrant plus de résistance pour chaque unité de force utilisée pour les créer. Cela en fait un candidat prometteur pour les applications industrielles où les composants légers multi-matériaux doivent être assemblés rapidement et de manière fiable, comme dans l'industrie automobile. La recherche souligne que la géométrie de la broche après sa formation est ce qui importe réellement pour la résistance de l'assemblage, et non seulement la forme de la broche avant qu'elle ne soit poussée dans le matériau.