Quels sont les phénomènes en jeu dans un assemblage ?

Paramètre 1 : le type de matériaux présents dans l’assemblage

En fonction de la famille de matières qui compose votre assemblage, le comportement de chaque substrat diffère face aux sollicitations mécaniques, à la montée en température, au froid, à l’humidité et à bien d’autres paramètres annexes.

Cette liste n’est pas exhaustive, mais les grandes familles de matériaux susceptibles d’être assemblés sont :

• le verre, la céramique ;
• le bois, le carton, le papier ;
• les métaux ferreux et non ferreux ;
• les matériaux plastiques thermodurcissables ;
• les matériaux plastiques thermoplastiques ;
• les matériaux plastiques élastomères.

Paramètre 2 : l’architecture de vos substrats

Un matériau est constitué d’une structure moléculaire, macromoléculaire et, à plus grande échelle, d’un agencement global.

En fonction de cette architecture des substrats, il est possible de réaliser des matériaux répondant parfaitement à votre cahier des charges, nature ou en combinant les propriétés des uns et des autres. Votre substrat pourra alors encaisser les efforts mécaniques, faire office d’isolant phonique ou thermique, devenir conducteur ou isolant électrique… en fonction des demandes exprimées dans votre cahier des charges.

On peut notamment citer ces exemples d’architecture de substrats :

• nature : c’est le matériau à l’état naturel ;
• composite : c’est, par exemple, un polyéthylène chargé de fibre de verre, un béton fibré, une résine polyester renforcée de tissus de verre ;
• laminé ou sandwich : plusieurs matières se superposent en couches successives ;
• mousse : ce matériau nature avec une structure alvéolaire est caractérisé par la taille et l’ouverture ou non des cellules ;
• fil : mono ou multi-composants, ce matériau se distingue par la taille du filament et leur nombre. Dans les fibres naturelles, il faut aussi ajouter la longueur du fil ou des fibres ;
• tissage, tricotage, aiguilletage : la structure est particulière à la technologie utilisée, mais les caractéristiques globales sont données par la taille des fils et leur déformation sur deux dimensions (glissement de la structure ou non dans un sens ou dans l’autre : par exemple, la trame – sens machine – et la chaîne – sens travers – pour le tissage). L’aiguilletage a cette particularité qu’il permet de considérer la troisième dimension et donne l’épaisseur ;
• élastomère : il s’agit d’une caractéristique particulière des matériaux plastiques se déformant de manière importante dans la zone élastique. En repoussant très loin les limites de la fatigue pour ce type de matériaux, les sollicitations mécaniques peuvent être fréquentes et très importantes.

Paramètre 3 : la résistance aux contraintes mécaniques

Les contraintes mécaniques interviennent dans tous les assemblages. Il en existe cinq types dans un assemblage.

Les cinq types de contraintes mécaniques dans un assemblage

Commencez par déterminer les contraintes propres à votre assemblage, et définissez ensuite les contrôles appropriés pour répondre au cahier des charges.

Paramètre 4 : l’état de surface ou la rugosité

La rugosité influence directement les facteurs suivants :

• la surface spécifique ;
• le choix de la viscosité de la colle ou l’adhésif ;
• le choix de la technologie de soudure pour les thermoplastiques.

Paramètre 5 : la tension de surface des substrats

La tension de surface des substrats conditionne directement le succès de vos assemblages. Elle intervient dans les collages et la soudure. Pour la soudure, un solide est échauffé et passe à l’état liquide : nous nous retrouvons alors dans la même configuration que dans un collage.

Plus la tension de surface d’un solide est faible, plus les liquides adhèrent difficilement, et plus le collage devient laborieux, voire impossible sans traitement de surface préalable.

La soudure est dans le même cas, la matière liquide des matériaux en fusion se comportant comme une colle. Si les matériaux (baguettes d’apport ou substrats 1 et 2) et les tensions de surface diffèrent, alors il y a incompatibilité entre les matériaux : aucune adhérence ne peut se produire.

C’est sur ce paramètre que l’on joue pour démouler une pièce dans un moule d’injection. On cherche alors délibérément l’incompatibilité des matériaux, et donc le « désassemblage ».

Plus la tension de surface est forte, plus l’adhérence est facile, voir permanente :

• entre 30 et 40 mN/m, le collage et la soudure demandent une préparation spécifique (nettoyage des substrats, dégraissage, abrasion voire traitement chimique de surface préalable) ;
• à partir de 34 mN/m, le collage et la soudure deviennent plus faciles ;
• au-delà de 50 mN/m, les solides deviennent auto-adhésifs.

Le traitement Corona poussé (environ 58 mN/m) des films polyéthylènes permet d’obtenir le film de protection que l’on retrouve sur les objets ou matériaux pour les protéger avant leur vente ou leur utilisation.

Paramètre 6 : porosité et état de surface

Tous les matériaux poreux méritent une attention particulière en cas de collage ou de soudure. Parce que l’absorption de liquides peut être considérable, il faut penser au séchage avant utilisation de l’assemblage.

Au contraire, si la porosité est grande et la viscosité de la colle est faible (gel ou pâte), l’air potentiellement emprisonné dans les interstices de matière peut créer des amorces de rupture. Le phénomène est le même avec une grande rugosité et lorsque la viscosité de l’adhésif n’est pas adapté pour recouvrir toutes les aspérités de la surface.

La rugosité intervient dans les assemblages mécaniques, le phénomène principal reste le frottement. C’est grâce à la combinaison des frottements et des déformations élastiques des matériaux que les assemblages mécaniques sont, à la fois, permanents et démontables.

Plus les surfaces sont lisses, plus les liens entre les substrats sont liés aux phénomènes de Van der Waals. Même si les interactions électriques sont de faible intensité entre les molécules, elles sont à l’origine de forces interfaciales considérables en cas de contact, et nulles au moindre éloignement.

La fonction est de cet ordre, R distance intermoléculaire : 1/R⁷.

Exemple : après la pression exercée sur deux cales étalons, impossible de « décoller » les deux pièces. Mais avec un peu de temps, l’air qui peut s’introduire entre les deux pièces permet de les séparer aisément car les forces interfaciales deviennent alors négligeables. Cette action n’est possible qu’avec des surfaces parfaitement lisses.

Paramètre 7 : température, humidité et point de rosé

Attention à la température et à l’humidité du substrat ainsi qu’à l’atmosphère environnante ! Si le point de rosé est atteint, la condensation de l’humidité de l’air crée une pellicule d’eau sur le substrat.

Il est ainsi recommandé de stocker les substrats dans un endroit chaud entre 24 et 48 heures avant de procéder à un assemblage par collage ou soudure.

De même, méfiez-vous de l’humidité contenue dans les substrats et des phénomènes d’évaporation en cas de montée brusque de la température en soudure ou en collage. On a en effet observé des cas de :

• fuite, micro-fuite, perforation des soudures ou d’un substrat ;
• bulle, gonflement, déformation de forme arrondie ;
• décollement, délaminage.

Enfin, certaines réactions chimiques se forment avec l’humidité de l’air : en cas d’absence d’humidité, la réaction chimique est interrompue, le mélange reste sous forme liquide. C’est le cas par exemple des colles à base de polyuréthane et de silicone.

Lisez toujours attentivement les consignes fournies par le fabriquant. Celui-ci vous indique les conditions environnementales dans lesquelles vous devez impérativement vous placer : la maîtrise de votre process est à ce prix.