Le collage structurel dans l'industrie

Situation et évolution

Le collage structurel se développe de plus en plus pour devenir une technique d'assemblage à part entière, au même titre que le soudage. Le champ d'application s'élargit, notamment avec les progrès des matériaux légers et des composites. Il est déjà largement utilisé dans les véhicules, les éoliennes et les équipements médicaux. Cette technique est également devenue indispensable dans l'aviation et l'ingénierie mécanique de pointe. Le grand avantage: les matériaux peuvent être assemblés sans trous, sans apport de chaleur et sans déformation mécanique.

Types de base

Les principaux types de colles sont les époxydes (liaisons dures et solides, mais plus fragiles en cas d'impact), les polyuréthanes (souples et résistants, adaptés aux charges dynamiques), les acrylates (liaisons rapides, utilisables également à basse température), les silicones (résistance aux températures élevées et élasticité) et les colles thermofusibles (faciles et rapides à mettre en œuvre, mais limitées en termes de résistance). Le choix dépend toujours des conditions et du profil d'application requis.

Un joint collé solide nécessite un prétraitement correct de la surface: dégraissage, nettoyage et souvent aussi surfaçage ou traitement au plasma ou au laser. Sans cette étape, l'adhérence s'affaiblit considérablement car la contamination ou les couches d'oxyde empêchent la colle de s'ancrer à la surface.

Conception et charge

Le comportement d'un joint colléf est principalement déterminé par la manière dont les forces sont transférées.

• Charge de pression: les deux parties sont pressées l'une contre l'autre, ce qui répartit favorablement la force et assure la solidité de l'assemblage.
• Charge de cisaillement: les pièces sont déplacées parallèlement, ce qui est également une situation favorable.
• Charge de torsion: les pièces tournent l'une par rapport à l'autre ; si la surface est suffisamment grande, la colle peut l'absorber.
• Charge de traction: la force agit perpendiculairement au joint; possible, mais moins idéal car la contrainte s'exerce directement sur la couche de colle.
• Efforts de décollement: un côté est arraché du joint, comme lorsqu'on retire un ruban adhésif; cela concentre la contrainte et conduit rapidement à des fissures.
• Forces de séparation: les deux parties sont arrachées l'une de l'autre autour d'un point de basculement; cette situation est encore plus critique car la quasi-totalité de la force s'exerce sur une petite zone.

Par conséquent, la conception recherche toujours des configurations qui dominent la pression, le cisaillement ou la torsion et qui évitent les situations de pelage ou de fendillement. Les joints de chevauchement, les nervures de renforcement et les surfaces adhésives plus grandes sont des solutions typiques.

Traitement et durcissement

Une colle monocomposant durcit sous l'effet de la chaleur, de l'humidité ou de la lumière UV. Elle est pratique à mettre en œuvre, mais dépend généralement des conditions extérieures. Une colle bicomposant est mélangée juste avant l'utilisation (résine + durcisseur) et durcit de manière autonome; cela permet un contrôle et une résistance souvent plus élevée. Les deux peuvent contenir des additifs tels que des retardateurs de flamme, des charges ou des solvants. Ces derniers provoquent des émissions de COV (composés organiques volatils), avec un risque d'inflammabilité et de toxicité. La ventilation et la protection individuelle ne sont donc pas un luxe mais une nécessité.

Le temps de durcissement varie de quelques minutes à quelques heures. Les époxydes, par exemple, peuvent durcir dans un four en 20 minutes, alors qu'il leur faut beaucoup plus de temps à température ambiante. Certains acrylates et époxydes spécifiques durcissent en quelques secondes sous la lumière UV, ce qui est crucial dans les applications électroniques et médicales. Pour une qualité constante, les systèmes de dosage automatique et les robots sont de plus en plus nombreux ; ils garantissent une couche uniforme sans inclusions d'air.

Avantages, limites et interface

Les liaisons adhésives présentent des avantages uniques: elles sont légères, solides, étanches aux liquides et aux gaz, et ne provoquent ni chaleur ni déformation mécanique. Elles sont souvent invisibles et peuvent amortir les vibrations. Une valeur ajoutée pratique est que la colle remplit également les irrégularités, ce qui la rend tolérante aux petites différences d'ajustement.

Les inconvénients sont les suivants. Le vieillissement dû aux UV, à l'humidité et aux variations de température peut entraîner un fluage ou une fragilité après plusieurs années. Le démontage est généralement difficile: une colle durcie ne peut souvent être enlevée que mécaniquement ou par chauffage. Cela complique la réparation et le recyclage. La recherche se concentre donc sur le"décollement à la demande", c'est-à-dire sur des colles qui se décollent à nouveau sous l'effet d'un déclencheur spécifique (tel que le chauffage à environ 100 °C). Dans la pratique, cela signifie que, par exemple, un module de batterie devient plus facile à démonter et à recycler.

En outre, le collage se fait à des températures relativement basses. Cela permet également de traiter des matériaux sensibles, tels que les plastiques ou l'électronique, qui ne supportent pas la chaleur du soudage ou du brasage. Toutefois, chaque colle a une plage de température: certaines époxydes conservent leur résistance jusqu'à plus de 200 °C, tandis que les silicones restent flexibles à -100 °C.

Assurance qualité et normes

Étant donné qu'un joint collé peut être visuellement bonne mais présenter des faiblesses internes, le contrôle de la qualité est crucial. Les échantillons subissent des tests de résistance, des tests climatiques et des cycles de fatigue. Des simulations FEM sont également utilisées: il s'agit de modèles mathématiques qui prédisent la répartition des contraintes dans la couche adhésive et révèlent les zones critiques. Cette méthode permet d'éviter les erreurs de conception avant même le début des essais physiques.

Sur le plan normatif, on se réfère principalement à la norme DIN 2304, qui prescrit les classes de qualité et l'assurance des processus pour les adhésifs, et à son successeur international, la norme ISO 21368. Dans l'industrie ferroviaire, la norme DIN 6701 s'applique également. Les entreprises ayant des exigences de précision élevées appliquent souvent des normes internes encore plus strictes, avec un recyclage obligatoire et la traçabilité de chaque lot de colle.

L'importance de la formation et de la certification s'accroît également. Des programmes tels que " European Adhesive Bonder " ou "Specialist" forment les opérateurs et les ingénieurs à devenir des professionnels reconnus des colles. Dans des pays comme l'Allemagne, cette certification est parfois obligatoire; en Belgique et aux Pays-Bas, la demande augmente volontairement en même temps que les attentes en matière de qualité.

Nouvelles applications et perspectives

Le collage structurel trouve également des applications en dehors de la zone de confort. Il existe désormais des systèmes qui permettent de coller à -20 °C et même sous l'eau, sans source de chaleur supplémentaire. Cela ouvre des perspectives pour la maintenance des installations offshore ou des structures dans les climats froids.

En outre, des colles conductrices remplies de particules d'argent ou de carbone sont en cours de développement. Elles permettent la conduction électrique ou thermique, par exemple lorsqu'il s'agit de coller des composants électroniques à des dissipateurs thermiques ou de monter des composants optiques. Dans de tels cas, la colle combine un rôle mécanique avec un rôle fonctionnel.

Enfin, les colles ont des applications créatives dans l'industrie de l'usinage: des pièces minces ou fragiles peuvent être temporairement collées à un support pour permettre un usinage sans force. Ensuite, la colle est à nouveau décollée par la chaleur ou un solvant. Cela permet d'économiser du temps de préparation et d'augmenter la précision.

Conclusion

Le collage structurel est passé d'une technique de niche à une technique d'assemblage courante. Il est largement utilisé lorsque la légèreté, l'esthétique et la performance multifonctionnelle sont requises. L'inconvénient reste que la réparabilité et la durabilité exigent une attention particulière, mais grâce à des innovations telles que le décollement à la demande et les colles conductrices, cet écart est en train de se réduire. Entre-temps, la normalisation et la formation assurent la professionnalisation nécessaire. Les colles font donc partie intégrante de la boîte à outils de l'industrie métallurgique et manufacturière moderne - non pas comme une tendance temporaire, mais comme un composant durable.