Le collage: une technique méconnue et boudée (à tort) dans la métallurgie
Dans tous les secteurs industriels, le collage est plus souvent utilisé que le soudage
Si l'on considère l'industrie dans son ensemble, le collage est plus souvent utilisé comme technique d'assemblage que le soudage. Seule l'industrie métallurgique fait exception à cette règle. À juste titre? Ou bien les concepteurs de produits passent-ils à côté d'opportunités de réaliser des constructions plus légères, d'utiliser moins de matière, d'éviter les contraintes et de compenser les tolérances dimensionnelles autrement que dans la tôle fine?
Le soudage par points, le soudage MIG/MAG et l’assemblage mécanique font partie des techniques d’assemblage incontournables dans la boîte à outils du tôlier. Le collage est encore souvent considéré comme une solution exotique: une solution réservée aux applications où le soudage est impossible ou interdit. Selon Arnold Knottnerus, directeur de la Lijmacademie à Gilze-Rijen, aux Pays-Bas, cette perception est terriblement dépassée. Désormais, le nombre d'applications dans lesquelles les assemblages collés sont utilisés à l'échelle mondiale dépasse largement celui du soudage.
Des débuts dans la construction automobile
L’industrie automobile a adopté le collage il y a plusieurs décennies. Chaque voiture particulière recèle de nombreux mètres de joints de colle, qui sont pourtant très fonctionnels. Outre la fixation, un joint de colle peut remplir d’autres fonctions. La colle qui fixe le pare-brise à la carrosserie absorbe la dilatation thermique de la vitre, ainsi que les vibrations et les mouvements provenant de la carrosserie.
Le collage est également couramment utilisé dans la construction de carrosseries: dans les panneaux sandwich légers destinés aux parois des remorques, des tôles métalliques sont collées à des structures alvéolaires légères. De nombreuses avancées, tant au niveau des colles que des technologies de collage et des normes, proviennent donc de l’industrie automobile (allemande). Au départ, les connaissances provenaient principalement des fabricants de colles. Les constructeurs automobiles utilisaient déjà les colles depuis un certain temps, souvent sans en maîtriser pleinement les implications; le besoin de connaissances et d’optimisation a ainsi déclenché le développement de procédures d’essai et de systèmes de qualité.
À partir de là, cette technique d’assemblage s’est étendue à des secteurs tels que l’industrie ferroviaire (construction de trains) et l’aéronautique. Aujourd’hui, l’industrie des semi-conducteurs ne peut plus non plus se passer de la colle. En réalité, il est étrange que l’industrie métallurgique considère encore les colles comme quelque chose d’exceptionnel. En effet, les avantages par rapport au soudage sont innombrables.
Principaux avantages du collage
Une différence majeure entre le soudage et le collage réside dans la manière dont les forces sont réparties au sein de l’assemblage. Dans le cas du soudage par points, la contrainte se concentre sur une petite surface; dans le cas du collage, cette même contrainte est répartie sur l’ensemble de la surface collée.
Cela présente l’avantage de pouvoir souvent utiliser des tôles plus fines dans une construction pour obtenir une résistance comparable. Des tôles plus fines signifient un poids réduit et une moindre consommation de matière. Il est également possible de choisir des combinaisons de matériaux impensables avec le soudage, comme le métal avec un composite ou de la céramique. Un autre avantage essentiel du collage est l’absence de chaleur dans le matériau; cela évite toute déformation géométrique et ne génère aucune contrainte interne dans la tôle.
La gestion des tolérances diffère aussi fondamentalement. Alors que le soudage par points exige que les pièces soient pressées fermement les unes contre les autres, un joint collé peut compenser les variations dimensionnelles sans générer de contraintes internes dans le matériau. Le joint de colle compense la tolérance. Le collage permet également d’ajouter d’autres fonctionnalités: isolation thermique, conductivité électrique ou, au contraire, isolation, et étanchéité.
Couche anticorrosion
Pour l’utilisation de tôles minces dans l’industrie automobile, l’industrie des adhésifs a mis au point un adhésif spécial qui intègre la couche de protection contre la rouille superficielle dans le joint de colle.
Il n’est donc pas nécessaire d’éliminer au préalable la couche protectrice grasse présente sur la tôle, ce qui permet d’économiser une étape complète du processus; exactement ce que les constructeurs automobiles recherchaient pour leur processus de production. L'application de revêtements et d'autres couches anticorrosion reste toutefois un point à surveiller. C'est là que se fait sentir la rigidité avec laquelle les concepteurs de produits dans l'industrie métallurgique s'en tiennent souvent aux méthodes propres au soudage. Une couche de revêtement peut avoir un impact négatif sur le joint de colle. Si l’on en tient compte dès le départ, on procède au revêtement par poudrage seulement après le collage, alors que l’ordre devrait être inversé. Aujourd’hui, la construction navale utilise des colles qui s’appliquent directement sur le revêtement; cela suppose toutefois que l'on dispose d'une surface de collage suffisamment grande.
L’importance d’une conception adéquate
Le principal obstacle à une utilisation plus large des adhésifs dans la métallurgie ne réside donc pas dans la technique, mais dans le processus de conception. De nombreuses applications de collage sont réalisées a posteriori sur un produit conçu pour être soudé, avec tous les compromis que cela implique. Pour tirer pleinement parti des avantages du collage, un concepteur doit tenir compte de la technique d’assemblage choisie dès les premiers croquis.
Un exemple simple pour illustrer cela est le collage de deux bandes d’aluminium. L’aluminium présente une résistance à la traction d’environ 240 newtons par millimètre carré; un assemblage collé, quant à lui, offre une résistance au cisaillement de 20 newtons par millimètre carré. Si l’on colle les deux bandes bout à bout, l’assemblage est faible, pour ne pas dire inadapté. Il en va de même si le chevauchement sur lequel la couche de colle est appliquée est trop petit. Mais dès que la surface est suffisamment grande, l’assemblage collé est plus résistant que l’aluminium et, lors d’un essai de traction, c’est le matériau qui se rompt et non l’assemblage collé. En règle générale, la Lijmacademie recommande une longueur de chevauchement d’environ dix fois l’épaisseur du matériau. Il faut donc en tenir compte lors de la conception.
Vieillissement: effectuer des analyses préalables
Une deuxième limite des colles réside dans le vieillissement de l’assemblage. Au fil du temps, celui-ci perd de sa résistance sous l’effet des rayons UV, de l’humidité et de la température. Il n’existe aucune base scientifique permettant de prédire à l’avance la durée de vie d’un assemblage collé. Il est toutefois possible de déterminer une durée de vie prévue grâce à des tests de vieillissement. Dans les laboratoires de la Lijmacademie, les assemblages collés sont exposés de manière accélérée aux rayons UV et à d’autres facteurs susceptibles d’altérer la qualité de l’assemblage.
Ces essais de vieillissement accéléré permettent de se prononcer avec un haut degré de certitude sur la durée de vie finale. En effet, dans la pratique, on constate que la perte de résistance se produit principalement au cours des premières semaines; ensuite, l'assemblage se stabilise. Cette phase de stabilisation offre une confiance suffisante pour une application industrielle à long terme.
Application industrielle de la technique de collage
Un préjugé souvent entendu à propos des colles est que cette technique d’assemblage est lente. En effet, la colle doit durcir pour atteindre sa résistance maximale, ce qui prend souvent entre 24 et 48 heures. Pourtant, comme le montrent les calculs de la Lijmacademie, la durée totale du processus ne diffère guère de celle du soudage ou de l’assemblage mécanique. Seule la durée de chaque étape distincte varie.
Prenons l’exemple du soudage de tuyaux en acier par rapport à leur collage. Dans le cas du soudage, le matériau doit d’abord être pré-traité, puis porté à température, avant d’être soudé. Viennent ensuite les étapes de mesure et de finition, comme l’application éventuelle d’un revêtement. Au final, cela prend autant de temps que la réalisation d’un assemblage collé. Le collage nécessite moins de finition mécanique que le soudage: il n’est pas nécessaire de meuler ou de retoucher un cordon de soudure. Les durées de certaines opérations varient, mais au final, la différence est négligeable. L’aluminium et le titane sont les métaux idéaux pour le collage, car leur couche d’oxyde adhère au matériau de base. On peut donc appliquer la couche de colle directement sur l’aluminium ou le titane.
Dans le cas de l'acier, la couche d'oxyde n'adhère pas au matériau de base. Avant de pouvoir y appliquer de la colle, il faut l'éliminer, faute de quoi une bonne adhérence ne pourra pas s'établir. Pour l’acier, il est conseillé de procéder d’abord à une galvanisation ou à un revêtement, afin d’empêcher la formation d’une nouvelle couche d’oxyde, puis de procéder au collage.
Automatisation
L’industrie automobile automatise souvent le collage. Le pont de colle est défini avec précision en termes de hauteur, de largeur, de profondeur, de position, etc. Cela s’avère rentable pour les grandes séries; pour les petites séries, ce n’est pas forcément nécessaire. Les procédés de collage manuels peuvent aboutir à un assemblage d’une qualité tout aussi bonne.
Cependant, l’application manuelle entraîne généralement un excès de colle, alors qu’un processus automatisé permet de doser la quantité de colle avec une grande précision. Il convient toutefois de tenir compte des conditions dans lesquelles la colle est appliquée. Pour les assemblages S1, qui correspondent à la norme de qualité la plus élevée en matière de collage, il faut disposer d’un local où la température et l’humidité se situent dans la fourchette prescrite par le fabricant de colle. En matière de contamination, les différentes normes n’imposent pas d’exigences spécifiques, mais il est toutefois recommandé de ne pas appliquer de colle dans un local où l’on effectue, par exemple, des travaux de soudure. La fumée de soudure constitue en effet une source de contamination pour la colle. Il est important d’être vigilant face à la contamination, car celle-ci n’est pas immédiatement visible après l’application de la colle. Alors que, par exemple, dans le cas des peintures, la contamination est immédiatement visible, elle peut rester cachée pendant longtemps dans le cas des colles, jusqu’à ce que l’assemblage présente une défaillance.
C’est pourquoi, dans la pratique, lors de la fabrication de produits haut de gamme, on colle souvent des échantillons d’essai dans les mêmes conditions. Cela permet de vérifier si la colle a éventuellement été contaminée. Selon le type de colle, il est parfois possible d’effectuer des tests dès le lendemain. C’est pourquoi il est important, lorsqu’on procède au collage, de mettre en place un système qualité et de le suivre à la lettre. Les échantillons d’essai font partie intégrante de ce système qualité.
Normes (internationales)
Les grandes entreprises, telles que les constructeurs aéronautiques Airbus et Boeing, établissent leurs propres normes de qualité en matière de collage. Elles s’alignent toutefois de plus en plus sur les normes acceptées à l’échelle mondiale. Il existe en fait quatre normes. La première est la norme TL A0023, qui s’applique spécifiquement aux applications de défense.
Pour l’industrie ferroviaire, il existe la norme EN 17460, qui s’applique également en Belgique. Cette norme régit l’assemblage, la réparation et la modification des trains à l’aide de joints collés.
La troisième norme est la norme internationale ISO 21368. Elle s’applique aux secteurs pour lesquels il n’existe pas de normes spécifiques. Ainsi, ASML, qui utilise fréquemment le collage comme technique d’assemblage, se réfère à cette norme. Par ailleurs, certaines industries, comme le secteur médical, peuvent encore imposer des exigences spécifiques. La norme ISO 21368 trouve son origine dans l’industrie automobile et est de plus en plus acceptée comme norme mondiale pour les assemblages collés.
La norme DIN 2304-2 est la norme spécifique aux colles pour la construction navale.
Recyclage
La réutilisation des matériaux est l’une des priorités de la politique de l’UE. Un assemblage collé peut être démonté mécaniquement. Ce n’est donc pas un hasard si le décollage est un sujet sur lequel se penchent les départements R&D des fabricants d’adhésifs, notamment sous la pression de la législation européenne relative à l’économie circulaire et des réglementations en matière de santé et de sécurité.
L’industrie a désormais mis au point des colles qui redeviennent liquides lorsque la température augmente. Ces 'colles thermofusibles' redeviennent liquides à une température d’environ 250 degrés Celsius, ce qui permet ensuite de séparer les pièces. Les vitres de voiture constituent un exemple d’application de ce type de colle thermofusible. Elles sont aujourd’hui fabriquées en verre feuilleté. En principe, il s’agit de deux couches de verre entre lesquelles se trouve une fine pellicule qui fond sous l’effet d’une température élevée (dans ce cas, environ 200 degrés Celsius) et relie les deux couches de verre de manière invisible. Une fois la pellicule fondue, le verre est entièrement transparent, mais se compose toujours de deux moitiés.
Un deuxième exemple est celui d’une colle instantanée utilisée dans le domaine médical. Ces colles instantanées ont besoin d’humidité pour durcir. Mais elles sont également sensibles à l’humidité. À terme, l’humidité finira par dissoudre la colle. Dans le secteur de la santé, on utilise cette propriété spécifique pour refermer une plaie à l’aide d’une telle colle instantanée plutôt que de recourir à des sutures. Au fil du temps, l’humidité présente dans les tissus cutanés dissoudra la colle. Si le démontage n’est pas possible, la colle peut être incinérée avec le produit. Dans les applications à haute résistance, la quantité de colle est négligeable par rapport à la masse du matériau collé. Le revêtement éventuel est souvent mille fois plus important en quantité.
Dans tous les cas, les avantages d’un assemblage collé, tels que le gain de poids et d’économie de matière, sont, d’un point de vue environnemental, bien supérieurs à l’inconvénient éventuel qu’un produit ne soit pas démontable et doive donc être incinéré. Les colles biosourcées ne sont pas utilisables à l’échelle industrielle. Ces colles, à base de protéines et d’amidon, existent bel et bien, mais n’offrent pas une qualité constante. Elles sont utilisées dans le bâtiment, mais pas dans l’industrie.
LIJMACADEMIE AUX PAYS-BAS
La Lijmacademie aux Pays-Bas existe depuis treize ans et soutient à la fois l’industrie des adhésifs et les utilisateurs (industriels). Elle le fait notamment en testant les assemblages collés en laboratoire et en estimant leur durée de vie grâce à des essais de vieillissement accéléré. La Lijmacademie certifie également des procédés pour l’industrie.
Arnold Knottnerus, directeur, consacre toutefois encore beaucoup de temps à partager ses connaissances sur les colles et à sensibiliser les concepteurs. "Car tout commence par le concepteur", dit-il. "Ils doivent apprendre à penser différemment."
L’acceptation est bien présente dans la plupart des secteurs, mais il faut, dès la phase de conception, raisonner en termes d’avantages offerts par un assemblage collé pour parvenir à un résultat optimal. La Lijmacademie propose également des formations et des cours. En effet, dans l’enseignement, les colles ne font pas encore l’objet d’une attention généralisée.