Développement de rivets composite à matrice thermoplastique

Les enjeux écologiques et économiques actuels nécessitent une réduction du poids des avions de ligne. Afin d'augmenter leur performance, les matériaux composites sont utilisés pour leurs hautes propriétés spécifiques. C'est donc avec cet objectif que l'industrie aérospatiale consacre énormément d'effort à développer cette technologie. Par contre, elle impose plusieurs défis de taille. Ces structures en composites sont présentement assemblées avec des boulons en titane. Cette liaison mécanique n'est pas la solution idéale dû à son poids, sa différence de coefficient d'expansion thermique et de conductivité électrique entre le titane et la structure en composite, son risque de pénétration de l'humidité et son risque de répartition non-uniforme des charges. Au cours de cette maîtrise, une technologie d'assemblage novatrice a été développée grâce à des rivets en composite à matrice thermoplastique. Tout d'abord, les rivets sont chauffés par effet Joule au-delà de leur température de fusion. Une fois cette température atteinte, ils sont moulés in situ dans les composants à joindre. La similarité entre les matériaux utilisés pour le rivet et les pièces à assembler apporte une solution aux problèmes de corrosion galvanique, de différence de coefficients d'expansion thermique et de blindage électromagnétique de l'avion. Afin d'assurer une qualité constante dans une optique d'industrialisation, la technique de rivetage proposée dans ce document a été automatisée. Une machine de rivetage a été conçue et fabriquée. Les paramètres de rivetage ont été contrôlés afin de s'assurer de la qualité de la liaison et de sa répétabilité. Afin d'explorer les possibilités de la technologie, deux architectures de renfort (fibres de carbone) (Unidirectionnelle et tressée) et deux types de matrices (polyamide (PA) et polyether ether ketone (PEEK)) ont été testés en cisaillement et en traction. Les tests mécaniques en cisaillement ont démontré que les propriétés spécifiques du rivet unidirectionnel étaient supérieurs aux joints d'aluminium boulonnés en titane. Avec ces avantages, cette technologie pourrait être davantage développée, afin d'être utilisée sur les prochaines générations d'avions.

Abstract

Because of ecological and economical matters, most aircraft manufacturers are looking to reduce the airliners weight. To increase their performance, composite materials are used for their high specific properties. But this also brings new challenges, such as, the assembly of two composite parts. As an example, the currently use technology relies on the use of titanium bolts. This fastening solution presents many drawbacks with regards its weight, its lightning strike hazard, its risk of water penetration and its cost. To overcome these problems, an innovative assembly technology using thermoplastic composite rivets was developed. These rivets are heated, using Joule's effect, above the melting temperature of the matrix. They are directly molded in situ. The materials similarity eliminates the galvanic corrosion and the electromagnetic shielding issues. To ensure a constant quality for an industrial application, the riveting technique must be automated. A riveting machine was designed and manufactured. The riveting parameters are controlled to ensure the joint quality and repeatability. Two types of thermoplastic matrix were used (polyamide (PA) and polyether ether ketone (PEEK)) and two types of reinforcement architecture were tested (unidirectional and biaxial braid). The mechanical testing showed that the mechanical properties of the composite riveted joint are higher than typical aluminum riveted joints. Furthermore, the UD architecture has a higher specific shear strength than titanium bolted joint. With these advantages, the technology could be develop in order to be used to make the next aircraft generetion.