Détection des joints faibles par des techniques de choc produit par laser.

par Maxime Sagnard

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux (AM)

Sous la direction de Laurent Berthe.

Thèses en préparation à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux (laboratoire) .


  • Résumé

    L'une des grandes problématiques actuelles des secteurs aéronautique et spatial est la réduction du taux d'émission de CO2. Une des solutions est l'allègement et l'optimisation des structures. Dans cette optique, certains avions comme l'A380 ou l'A350 XWB ont été fabriqués en grande partie à l'aide de matériaux composites. Plus résistants et plus légers, ils permettent un gain de poids important comparés aux matériaux métalliques. Cependant, ces pièces composites sont encore assemblées à l'aide de rivets ou de boulons. Ces procédés non adaptés aux matériaux composites limitent le gain de poids que pourrait engendrer leur utilisation. L'emploi de colles en revanche permettrait ce palier à ce problème, permettant ainsi de réduire de manière plus efficace le poids des structures. Cependant, ce procédé peut aussi être à l'origine de la création de joints faibles. Un joint est qualifié de faible quand sa tenue mécanique est inférieure à sa tenue nominale prévue. Actuellement, l'absence de Control Non Destructif (CND) permettant d'évaluer les propriétés mécaniques de ces pièces collées est l'un des principaux verrous à l'utilisation de ce procédé d'assemblage. Le Test d'Adhérence par Choc Laser (LASAT) à déjà prouvé sa capacité à évaluer la tenue mécanique de joints de colle dans des structure en Polymère Renforcé de Fibres de Carbone (PRFC). Cependant il ne peut s'appliquer qu'à quelques géométries d'assemblage spécifiques et a aussi démontré des limites en termes de détection de joint faible. Ce travail propose une étude expérimentale et numérique d'une des optimisations du LASAT : le Test d'Adhérence par Choc Laser Symétrique (S-LASAT). Le but est d'approfondir la compréhension de la physique mise en jeu afin de mieux appréhender les prérequis nécessaires à la technologie pour détecter les joints faibles. Cette étude conclura sur une étude unique de test d'adhérence réalisée sur de vraies pièce aéronautiques collées.

  • Titre traduit

    Detection of weak bonds in composite materials using laser impacts.


  • Résumé

    The limitation of carbon dioxide emissions is one of today's greatest challenges for the aerospace industry. Weight reduction is seen as one of the most promising lead for that matter and a first step has already been made toward this goal through the use of composite materials. Lighter and more mechanically efficient than their metallic counterparts, their use helped optimising the weight of several aircrafts such as the A350 XWB or A380. Nevertheless, if the material has changed, the assembly process did not evolve along with it. Hence, techniques such as riveting or bolting previously used for metallic structure are still used for composite parts assembly, but they are not suitable anymore for this type of material (creation of local constraints, corrosion, …). Instead, bonding composite parts using adhesives would be a better solution and could help further reducing the overall weight of the aircraft. However, with this new assembly method also come new problems, such as weak bonding. A weak bond is characterised by a loss of mechanical adherence that cannot be spotted using conventional Non-Destructive Tests (NDTs) such as ultrasound scanning. Since the industry currently lacks these NDTs to assess the mechanical integrity of bonded structures, the use of adhesives for composite assembly is limited. The LAser Shock Adhesion Test (LASAT), has already demonstrated its capacity to evaluate bonded composite assembly but also proved to be limited in terms of assembly configuration and weak bond detection capability. This work focuses on one of its optimisations, the Symmetrical LASAT (S-LASAT). Both experimental and numerical studies are realised to better understand the prerequisites of the technique as well as the level of mastery required for the technology to best detect weak bonds within Carbon Fibre Reinforce Polymer (CFRP) structures. This manuscript concludes with a one of a kind experimental campaign realised on real bonded CFRP aircraft parts.