ARNOLD UMFORMTECHNIK: Optimisation du poids grâce à des assemblages directs par vis en plastique

Fig. 1 : On trouve des assemblages directs par vis en plastique partout où se conjuguent construction légère, forces élevées et optimisation des coûts. Par exemple sur les cartes de circuits imprimés, où l'espace d'installation est très limité et où l'utilisation d'inserts n'est pas possible, ou dans les composants fortement sollicités tels que les rétroviseurs extérieurs, les pompes, les soupapes ou les filtres à huile.

Avec les fixations par vis en plastique, de nombreux facteurs peuvent influencer la qualité de l'assemblage. Le défi consiste à trouver une géométrie de vis qui compense tous les aspects négatifs tels que les variations de tolérance. Il est également important que la solution de fixation soit idéalement adaptée à la composition du matériau et au type de charge.

Texte : Annedore Bose-Munde
Résistance du matériau, conditionnement du plastique, orientation des fibres et type de fibres, comportement de déformation viscoélastique, tolérances des composants ou des vis telles que le trou pilote et le diamètre de la vis, ou encore précision du système de vissage : tous ces facteurs doivent être pris en compte s’agissant de la mise en œuvre d’assemblages directs par vis en plastique. Et pour déterminer si une géométrie de vis particulière est adaptée à une application spécifique, il est également important de connaître les paramètres de qualité de la fixation directe par vis en plastique. Ces paramètres de qualité sont les suivants : haut degré de serrage, faible couple d'insertion, force de précharge et force d'extraction élevées.

« Si l'on considère la courbe de couple classique, l'objectif est d'obtenir la plus haute force de précharge avec un couple de vissage modéré et le surcouple le plus élevé possible. En même temps, pour garantir la sécurité de l’assemblage, il est important d'avoir un couple delta suffisamment élevé entre le vissage et le renversement pour éviter que la visseuse ne s'arrête en cas de fluctuation avant que le réglage de la tête ne soit atteint ou n'arrache le filetage de l'écrou formé. Le couple de serrage optimal est également déterminé par le couple delta », explique Sinja Strobl. Sinja Strobl est Responsable des ventes d'applications d’Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG, en charge de la conception des fixations à vis et de la multiplication des applications, ainsi que des conseils techniques d'application dans les domaines des plastiques et de l'électrification.



Fig. 2 : Le noyau de filetage optimisé des vis Remform augmente la résistance aux vibrations et le couple de rupture de la vis, ce qui se traduit par une connexion plus stable entre les deux éléments de l'assemblage.

Assemblage direct des thermoplastiques par vis
En production série, il n'est généralement pas possible de contrôler la force de précharge, le couple sert donc de valeur indicative. Lors des essais réalisés chez Arnold Umformtechnik, la force de précharge est déterminée en connectant une cellule de charge (cale dynamométrique). Cela permet d'attribuer une force spécifique à chaque couple enregistré. Un autre paramètre de qualité utile est le point de rupture. Des essais destructifs sont utilisés pour déterminer comment se produit la défaillance du filetage. « Le point de défaillance optimal est celui où le filetage de l'écrou est trop serré. Dans ce cas, une solution de réparation est possible. Bien sûr, avec les plastiques à très forte teneur en fibres de verre, la vis est aussi susceptible de se rompre. Mais normalement, avec un assemblage direct par vis en plastique, le plastique est toujours le maillon le plus faible et donc lâche en premier », explique Sinja Strobl. « Il convient d'éviter toute fissuration ou rupture du dôme. Ce type de défaillance est presque toujours dû à une mauvaise conception du dôme de la vis ».

Vis autotaraudeuses à filetage asymétrique de fil
Les fixations directes par vis en plastique constituent une solution fiable en termes de processus et optimisée en termes de coûts pour l'assemblage de composants en plastique. Par exemple, les vis Remform d'Arnold Umformtechnik (vis autotaraudeuses à filetage asymétrique de fil) offrent plusieurs avantages par rapport aux vis en plastique classiques avec un angle de flanc de 30° : le noyau de filetage optimisé augmente considérablement la résistance aux vibrations ainsi que le couple de rupture de la vis. Il s’ensuit une connexion plus stable entre les éléments ainsi qu’un couple de montage plus élevé lors de l'assemblage de plastiques haute résistance, sans risque de rupture de la vis.

Autre amélioration par rapport à l'angle de flanc de 30° : le profil radial des flancs de filet. Comme une vitesse relativement élevée est utilisée pour le vissage direct des plastiques, le matériau s'échauffe localement pendant le vissage et devient mou. Le profil de rayon du flanc de filet de la vis Remform exploite le comportement d'écoulement du plastique et, avec le volume de matériau plus élevé, le plastique est déplacé vers le flanc porteur sans que de forts pics de contrainte ne se produisent. Le flanc porteur abrupt de 12° permet de générer la force de précontrainte requise tout en assurant une grande fiabilité de montage. Le plastique doit être capable d'absorber uniformément la force de précontrainte appliquée sans risquer la rupture du dôme en raison de contraintes radiales excessives.

Pendant le vissage, le plastique devient malléable en raison de l'apport de chaleur. Pour maintenir les contraintes qui se produisent à un faible niveau, une attention particulière doit être accordée à l'angle de flanc. « L'inclinaison relativement faible du flanc porteur permet une orientation plus accentuée du vecteur de force dans la direction axiale. Le tube est ainsi moins sollicité lorsqu'il est vissé et le risque de rupture du dôme est réduit »,confie Sinja Strobl. En outre, le profil de rayon produit un couple qui oriente le plastique directement vers le flanc fortement incliné lors du vissage. La géométrie asymétrique abaisse ainsi la force radiale et augmente la force axiale, avec pour effet un chevauchement des filets et une force d'extraction nettement supérieurs à ceux d'un profil symétrique. Le chevauchement élevé des filets offre également une plus grande surface de cisaillement. Le surcouple de l’assemblage s’en trouve augmenté. La charge plus faible sur le matériau de l'écrou se traduit également par des forces de précharge plus élevées et un joint durable avec une force de précharge résiduelle maximale. Pour répondre à ces exigences strictes en matière de fixation directe par vis en plastique, un matériau de classe de résistance 10 est utilisé.

Fig. 3 : Arnold Umformtechnik fabrique la Remform II HS pour les applications particulièrement exigeantes. Elle est utilisée là où des vissages à forte charge, une force de précharge importante et une grande sécurité anti-desserrage sont requis, par exemple avec des plastiques plus durs et renforcés de fibres.

Avantages et domaines d'application
Les propriétés géométriques et matérielles de Remform se traduisent non seulement par une fiabilité d'assemblage et une force de précharge élevées, mais aussi par des fixations par vis renouvelées et fiables. Le client final peut par conséquent effectuer des réparations sur des pièces assemblées avec des fixations à vis en plastique directes. Contrairement aux fixations conventionnelles en plastique utilisant des manchons, des boulons et des écrous, l'accessibilité unilatérale des fixations directes en plastique réduit non seulement la complexité des composants, mais aussi le nombre de petites pièces.

Enfin, le flux de processus des fixations directes par vis en plastique est plus léger que celui des fixations conventionnelles par vis en plastique. Le composant peut être moulé directement avec des trous pilotes conçus de manière optimale, puis assemblé à l'aide de vis en plastique. Cela élimine les facteurs de coût et de temps de processus tels que la manipulation de différentes petites pièces ou les coûts et temps plus élevés nécessaires au placement de l'insert dans le moule. « Partout où se conjuguent construction légère, forces élevées et optimisation des coûts, vous trouverez des fixations à vis directes en plastique », explique Sinja Strobl, en énumérant les domaines d'application. « Par exemple, dans les circuits imprimés, où l'espace d'installation est très limité et où l'utilisation d'inserts n'est pas possible, ou dans les composants fortement sollicités tels que les rétroviseurs d'ailes, les pompes, les vannes ou les filtres à huile. Dans de nombreuses applications plastique, la fixation directe par vis en plastique est utilisée avec des points d’attache spécialement conçus ».

Solutions de fixation pour les plastiques plus durs et renforcés de fibres
Pour les applications particulièrement exigeantes, Arnold Umformtechnik produit la Remform II HS (High Strength, haute résistance) à l'aide d'un procédé de fabrication spécialement adapté et sur la base des données d'essai correspondantes. Cette vis est principalement destinée aux applications nécessitant des vissages à forte charge, une force de précharge élevée et une grande sécurité anti-desserrage. Elle se caractérise par un noyau de filetage optimisé et élargi, qui augmente considérablement non seulement la résistance à la fatigue mais aussi le couple de rupture de la vis. Il s’ensuit une connexion plus stable entre les deux éléments, mais également un couple de montage plus élevé lors de l'assemblage de plastiques haute résistance, sans risque de rupture de la vis.

Autre amélioration : le profil à rayon arrondi des flancs de filet. Ainsi, il n'y a pas de déformation des flancs du filetage, même lors de l’engagement de la vis dans des plastiques renforcés de fibres ; l'assemblage est sûr et présente une capacité de charge élevée. Le flanc de charge fortement incliné a pour but de générer la force de précontrainte nécessaire tout en assurant une grande fiabilité de l'assemblage. L'inclinaison réduite du flanc porteur et l'augmentation de la teneur en plastique sur la surface de contact résultant du profil radial assurent une orientation plus accentuée du vecteur de force dans la direction axiale. Ainsi, le risque de rupture du dôme diminue en minimisant la contrainte radiale tout en augmentant la force transmissible. « Grâce à cette géométrie innovante, la Remform II HS s’avère idéale pour une utilisation dans les plastiques hautes performances », précise Sinja Strobl.

Fig. 4 : « Dans de nombreuses applications plastique, l’assemblage direct par vis est utilisée avec des points de fixation spécifiquement conçus », explique Sinja Strobl, Responsable des ventes d'applications d’Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG.

Les clients peuvent demander au centre de tests de fixations Arnold Umformtechnik de vérifier si la solution de fixation choisie convient à leur application. Dans le centre de tests de fixations, ils ont accès à des équipements d'essai et une technologie de fixation par vis modernes et complets. Les techniques utilisées sont conformes à la norme IATF 16949. Si nécessaire, il est également possible de faire appel à d'autres laboratoires internes et externes, par exemple pour les essais de matériaux ou la préparation de micrographies. Chaque essai est documenté dans un rapport d'essai détaillé, adapté aux exigences du client.

Et si la pièce réelle à tester n'est pas encore disponible, les clients ont la possibilité d'utiliser l'outil de prévision Fast Designer Plastics pour prévoir le processus d'assemblage et les forces de précontrainte de l'assemblage pendant le processus de conception. Cela peut réduire considérablement les essais coûteux. « Avec Fast Designer Plastics, nous obtenons une indication précoce du couple de vissage, du couple de serrage optimal et de la force de précharge prévue. Il convient ensuite de procéder à une validation au moyen de tests sur le composant d'origine », explique Sinja Strobl, citant les différentes options pour développer une solution de fixation précisément adaptée à l'application.