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RÉSUMÉ
Cet article examine les technologies d'assemblage des polymères et composites thermoplastiques. Il se focalise sur le soudage laser par transmission, méthode efficace et propre. Les phénomènes physiques et thermiques du soudage sont abordés, ainsi que la modélisation et la simulation de l'assemblage. L'optimisation de la qualité finale nécessite la caractérisation des propriétés optiques et thermiques des matériaux composites, la compréhension des paramètres du procédé (puissance, vitesse et diamètre du faisceau laser) et l'utilisation d'outils d'ingénierie virtuelle tels que le ray tracing et la méthode des éléments finis.
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This article examines the assembly technologies for polymers and thermoplastic composites. It focuses on laser transmission welding, an effective and clean method. The physical and thermal phenomena of welding are addressed, as well as the modeling and simulation of the assembly process. Optimizing the final quality requires characterizing the optical and thermal properties of composite materials, understanding the process parameters such as laser power, speed, and beam diameter, and utilizing virtual engineering tools such as ray tracing and finite element method.
Auteur(s)
-
André Chateau AKUE ASSEKO : Enseignant-chercheur - IMT Nord Europe, Institut Mines Télécom, Université Lille, Centre Matériaux et Procédés, Villeneuve d’Ascq, France
-
Benoît COSSON : Enseignant-chercheur HDR - IMT Nord Europe, Institut Mines Télécom, Université Lille, Centre Matériaux et Procédés, Villeneuve d’Ascq, France
INTRODUCTION
Les matériaux composites thermoplastiques suscitent un intérêt croissant dans de multiples secteurs industriels, notamment dans le domaine des transports (aéronautique et automobile en particulier). Ils forment des composants et pièces devant souvent être assemblés pour former des modules et structures plus complexes. Cela engendre un intérêt croissant pour les technologies d’assemblage des composites thermoplastiques, parmi lesquelles le soudage laser.
La technique du soudage laser présente des avantages spécifiques pour des applications industrielles par rapport à d’autres technologies conventionnelles : le procédé est précis, flexible, facile à contrôler et à automatiser et non contaminant, une absence de vibrations pendant le procédé de soudage, une vitesse de soudage très rapide permettant le soudage de longues pièces avec un temps de soudage acceptable (quelques secondes).
Le procédé de soudage laser implique deux pièces. Une pièce semi-transparente à la longueur d’onde du laser et une autre absorbante à la même longueur d’onde. Ce procédé est basé sur un principe d’échauffement de l’interface (formation d’un cordon de soudure), et de consolidation par pression sur la zone à souder. La puissance du faisceau laser est transmise à travers le matériau dit « semi-transparent » et est absorbée à l’interface par le matériau dit « absorbant ». Le contact entre les pièces provoque une élévation de la température de la zone de soudure par un transfert de chaleur par conduction entre les deux pièces. Ainsi, la fusion des deux matériaux se produit. Lors du soudage des matériaux hétérogènes tels que les matériaux composites, quelques difficultés apparaissent. Les matériaux sont hétérogènes car renforcés de fibres. Le passage du faisceau laser dans de tels milieux entraîne la divergence du trajet optique du faisceau laser (phénomène de réfraction) causée par la multiplication des interfaces fibres-matrice dans le matériau. La puissance du laser arrivant à l’interface de soudage est ainsi réduite par effet de réfraction et d’absorption dans le milieu semi-transparent et diffusant.
L’obtention d’un joint de soudure de bonne qualité est conditionnée par une bonne compréhension du comportement des matériaux à assembler sous l’irradiation infrarouge laser et par une identification correcte de la température à l’interface de soudure grâce à des outils de modélisation et de simulation.
Ainsi, cet article a pour objectif de rappeler les principes du soudage laser par transmission, de mettre en exergue les particularités résultant de la structure hétérogènes des composites thermoplastiques à assembler, et de proposer des outils d’ingénierie virtuelle permettant d’optimiser le procédé de soudage pour réaliser des soudures de qualité.
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MOTS-CLÉS
technologies d'assemblage des polymères simulation de l'assemblage modélisation de l'assemblage outils d'ingénierie virtuelle
KEYWORDS
assembly technologies for polymers | simulation of the assembly process | modeling of the assembly process | virtual engineering tools
DOI (Digital Object Identifier)
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Pratique expérimentale du soudage laser des composites
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3. Bases théoriques sur le soudage laser par transmission
3.1 Différence entre soudage de polymères et de composites thermoplastiques
Le soudage laser des polymères thermoplastiques (figure 10 a) est relativement simple à réaliser. Le laser transmet la quasi-totalité de l'énergie à l'interface de soudure, avec seulement une petite quantité d'énergie réfléchie à la surface de la pièce transparente.
Contrairement aux polymères qui sont des matériaux homogènes, les composites thermoplastiques sont des matériaux hétérogènes (figure 10 b) composés de fibres (très souvent des fibres de verre) et d’une matrice thermoplastique. Cette hétérogénéité crée une forte interaction avec le faisceau laser. Comme la lumière à la surface d’une piscine (loi de Snell-Descartes), le faisceau laser change de direction à chaque interface fibre/matrice qu’il rencontre. Un composite étant constitué de plusieurs milliers de fibres unitaires, le faisceau laser est diffusé par la réfraction qu’il subit à chaque interface. La présence de renforts dans le matériau entraîne une diminution de la quantité d'énergie arrivant à l'interface de soudure, ce qui peut rendre le soudage des composites plus difficile. Il est donc important de mettre en place des méthodes pour optimiser le soudage de ces matériaux en prenant en compte les propriétés spécifiques des matériaux composites.
Les composites thermoplastiques renforcés de fibres unidirectionnelles contiennent des fibres orientées dans une seule direction. Lorsque le faisceau laser passe à travers un composite unidirectionnel semi-transparent, l’énergie du laser diffuse dans la direction orthogonale aux fibres à l’interface de soudage (figure 11). Cette diffusion peut entraîner une répartition non uniforme de l'énergie à l’interface de soudage et, par conséquent, une soudure de mauvaise qualité. Il est donc important de comprendre comment le faisceau laser se comporte à travers ces matériaux pour pouvoir optimiser les paramètres de soudage et obtenir des soudures de bonne qualité.
HAUT DE PAGE3.2 Propriétés optiques...
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Bases théoriques sur le soudage laser par transmission
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MAIRAGOUNA (M.) - Approche probabiliste du comportement mécanique des composites thermoplastiques assemblés par soudage laser. - PhD thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris (2012).
-
(2) - TROUGHTON (M.) - Chapter 13 – Laser Welding. In : Handbook of Plastics Joining. - William Andrew Publishing, p. 101-104 (1997).
-
(3) - CHURCHILL (S.W.), CLARK (G.C.), SLIEPCEVICH (C.M.) - Light-scattering by very dense mono dispersions of latex particles. - Discussions of the Faraday Society, vol. 30, No. 0, p. 192-199 (1960).
-
(4) - De GENNES (P.G.) - Reptation of polymer Chain in the Presence of Fixed Obstacles. - Journal of Chemical Physics, vol. 55, p. 572-579 (1979).
-
(5) - AKUÉ ASSÉKO (A.C.), COSSON (B.), DELEGLISE (M.), SCHMIDT (F.), MAOULT (Y.L.), LAFRANCHE (E.) - Analytical and numerical modeling of light scattering in composite transmission laser welding process. - Int. J. Mater. Form. vol. 8, p. 127-135 (2015).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Source Laser
Leister
https://www.leister.com/en/Laser-systems#t=coveo50653d1d&layout=card
HAUT DE PAGE1.2 Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)
SPIE Photonics West conférence sur le laser
https://spie.org/conferences-and-exhibitions/photonics-west
MOOC TABLETTE sur la Technologie d'AssemBLage des ThermoplasTiques par lasEr (IMT Nord Europe, IMT Mines Albi, ENIT, Fondation UNIT)
https://moodle.luniversitenumerique.fr/course/index.php ?categoryid=153
Module de formation en e-learning sur le soudage des composites thermoplastiques (e-Learning Composites Academy by Composites Expert)
https://www.composites-academy.com/
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