Brevet FR2105035A1 — publié le 19720428

La présente invention (oncerlle des matériaux et structures cellulaires, leurs procédés de fabrication et un matériel pour la mise en oeuvre de ces procédés. De tels matériaux et structures cellulaires trouvent de nombreuses applications, par exemple dans la construction de bátiments, dans la réalisation d'ouvrages d'art tels que tabliers de ponts, passerelles ou autres, dans la construction métallurgique, aéronautique ou navale. etc.... Dans les applications précitées, on a cherché à remèdier aux inconvénients des matériaux traditionnels dont l'un des plus importants est le poids souvent considérable par rapport aux charges supportées, en prévoyant différents types de matériaux cellulaires tels qu'assemblages en nids d'abeilles ou éléments cellulaires réalisés à l'aide de barres ou tubes assemblés au moyen de noeuds de liaison Les assemblages en nids d'abeilles ou analogues présentent cor- taines qualités de légéreté et d résistance, maic ils ne sont fonctionnels que dans certaines directions de sorte que leu utilisation reste limitée. Les ossatures cellulaires tubulaires présentent l'inconvénient d'offrir des points faibles à chacune de leur intersection matés rialisée en général par un noeud d'assemblage. En outre, la répartition du poids suivant les ligne de fore n'est pas suffi- sante pour que de telles ossatures aient un caractère d'homc- généité. TJn but de la présente invention est donc de remèdier aux inconvénients précités, par la réalisation d'un matériau cellulaire léger et d'une grande résistance dont chaque ligne de force se prolonge et se ramifie dans la masse du matériau lequel est constitué d'une série de plans parallèles ou s'entrecroisant. Selon une caractéristique de l'invention, le matériau cellulaire est formé de cellules tétraédriques et/ou octoédriques régulières assemblées, chacune, par ses arêtes, avec les cellules adjacentes9 de manière que deux des faces de chacune cellule se prolongent dans les plans de deux faces de la cellules adjacentes considérée, lesdits plans s'entrecroisant. Cette caractéristique et d'autres encole, ressortiront mieux de la description qui suit. Pour fixer l'objet de l'invention, sans cependant le limiter, dars les'dessins annexés La figure 1 représente, de manière schématique, une portion de matériau réalisé à l'aile d'éléments téraédriques. La figure 2 eet une vue schématique illustrant la répartition dans efforts dans la masse du matériau. La figure 3 est une vue sehématique illustrant un procédé de fabrieation intéressant du matériau selon l'invention. Les figures 4 et 5 illustre, de manière schématique, un second procédé de fabrication. du matériau selon l'invention. La figure 6 représente, par une vue schématique à échelle réduite, une portion de tablier de nont réalisé à l'aide des matériaux et procédés de l'invention. La figure 7 est une vue schématique d'une machine permettant la mise en oeuvre de l'un des procédés de l'invention. La figure 8 est une vue de détail de la téte de soudure automati que de ladite machine. La figure 9 est une vue de détail représentant les moyens de guidage de la teste de soudure. Comme on le voit à la figure 1, le matériau cellulaire suivant l'invention es-t formé de cellules tétraédriques régulières creuses A - B - C, etc...., dont les quatre faces matérialisées sont formées par des triangles équilatéraux, lesdites cellules étant assemblées, chacune7 par ses arêtes, avec les cellules adjacentes identiques. Les cellules A et B sont assemblées par leur arête A1-B1, tandis que les cellules B et G sont solidarisées par leur arête B2-C2. Chaque cellule est assemblée à une cellule identique, de façon que deux de ses faces se prolongent, chacune, dans un même plan P - P1, avec deux faces triangulaires de l'élément adjacent, les plans P et P1 s'entrecroisant. Le plan P1 est formé par la face A3 de l'élément cellulaire A se prolongeant par la face B3 de l'élément B laquelle se trouve dans le plan de la face C3 de l'élément C, etc.... te plan P est formé par la face A4 de l'élément t A laquelle se prolonge par la face B4 de l'élément B, etc.... On comprend que la matériau selon l'invention est constitué par une série de plans parallèles ou s'entrecoupant de manière con- tinue. De la sorte, comme on le voit à la figure 2, lorsqu'un effort est appliqué en un point quelconque d'une ossature réalisée à l'aide du matériau suivant l'invention1 cet effort se répartit dans une série de plans parallèles ou s'entrecoupant. Ainsi, un effort appliqué sur la cellule S (figure 2) se trouvant au sommet de la structure simplifiée qui a été illustrée, est non seulement réparti au sein de la masse du matériau par les arêtes R en prolongement des cellules, mais également par les arêtes R1 qui se ramifient à partir desdites arêtes R. En outre, l'effort est réparti dans la nasse du matériau par les faces de la cellule S lesquelles se prolongent par les faces matérialisées des cellules sous-jacentes formant autant de plans parallèles ou s'entrecoupant. La présente invention concerne également les procédés de fabrication avantageux du matériau qui vient d'entre décrit. Selon un premier procédé particulièrement intéressant, on réalise une succession de cellules tétraédriques assemblées par leurs arêtes perpendiculaires. Les cellules sont formées par pincement et soudure d'un tube continu T (figure 3) suivant des lignes transversales T1 - T2 disposées alternativement dans l'un et l'autre de deux plans perpendiculaires passant par l'axe du tube. Les lignes T1 - T2 forment les arêtes perpendiculaires des cel lules et on procède, après leur exécution, à une opération de fi.nition des aretes T3 délimitant les faces triangulaires de chaque cellule. Chaque"chapelet" de cellules ainsi obtenues, est ensuite soudé, collé ou autrement assemblé, le long d'une ligne brisée L, avec des chapelets de cellules identiques, de façon que chaque cellule d'un chapelet ait, avec la cellule des autres chapelets qui lui est associée, deux faces en prolongement formant des plans s' entrecroisant. Un tel procédé est particulièrement avantageux car il permet une réalisation du matériau sn continu. Ainsi, pour la réalisation de certains ouvrages (tabliers de ponts par exemple),les chapelets de cellules peuvent être fahriqués st assemblés par une machine progressant sur la portion de l'ouvrage réalisée à l'aide du matériau selon l'invention, sans qu'il soit besoin de prévoir un étaiement provisoire, comme cela se pratique actuellement. Une telle machine entrant dans le cadre de la présente invention, sera décrite dans la suite de la des crittion. Selon le procédé de fabrication illustré aux figures 4 et 5, on a prévu d'exécuter, par formage à chaud ou à froid, par moulage, emboutissage ou autrement, des nappes de cellules tétraédriques régulières disposées en rangées et formant autant de pyramides triangulaires creuses privées de l'une de leurs bases, On assemble, par soudure, collage ou autrement, deux nappes n et G ainsi réalisées, disposées de manière inverse. On rapporte ensuite, par un procédé identique, une plaque E constituant la base des pyramide. On pose sur cette plaque une nouvelle nappe de pyramides triangulaires. et ainsi de suit. On comprend bien l'intérêt et les avantages du matériau selon l'invention dont on souligne la légèreté par rapport à la charge qu'il peut supporter, et la robustesse- due à un assemblage de cellules dont chaque face se prolonge en tous sens au sein de l'assemblage, en constituant. ainsi un matériau. très homogène. Comme on le voit à la figure 6, l'ouvrage terminé (tablier de pont selon l'exemple illustré), se présente sons forme d'un volume fermé, donc facile à peindre et à entretenir, contrairement aux constructions métalliques traditionnelles; On remarque que l'assemblage de cellules tétraédriques creuses suivant l'invention, laisse subsister, entre lesdites cellules1 des volumes en. forme d'octaèdres réguliers. Dans certaines réalisations en variantes, on pourrait prévoir de matérialiser ces volumes et de combiner un assemblage de cellules tétraédriques ct octaédriques régulières. De la meAme façon entre dans le cadre de l'invention, un assemblague de cellules octaêdriques creuses solidaires par l'une de leurs arêtes, un tel assemblage laissant subsister, au sei.n du matériau, des volumes de forme tétraédrique La machine illustrée aux figures 7 à 9 a été conçue pour la mise en oeuvre du procédé suivant lequel les constructions. sont réali- sées par assemblage de chapelets ou trains de cellules tétraédri- ques. Cette machine qui est destinée à la mise en place et à la soudure des trains de cellules, peut se déplacer sur des rails 1 poses sur la face supérieure de l'ouvrage (figure 7), au moyen de roues ou galets 2a dont est équipée la plateforme porteuse 2 de ladite machine. Les rails 1 sont allonges au fur et à mesure do l'avancement des travaux, la machine pouvant ainsi, comme on l'a indi-qué précédemment, progresse@ sur la portion de l'ouvrage réalisé. La plateforme 2 porte des rails de translation 3 disrosés perpendiculairement aux rails 1. La partie inférieure du bâti 4 de la machine, qui peut être cons- tituée par un châssis sur lequel est montée ladite machine avec une possibilité d'orientation, est équipée de galets on roues 4a roulant sur les rails 3. Le bâti de la machine pet comporter un compartiment de chargement 5 dans lequel sot amenés les trains de cellules tétraédriques provenant de la machine de formage qui peut être associée à la machine de mise en place et de sou- dure. La machine comporte des moyens permettant la translation di chariot de mise en place des trains de cellules. Ces moyens peuvent etre essentiellement formés par un vérin à double effet 6. La tige du vérin 6 est solidaire du chariot de mise en place 8 des trains de cellules1 lequel se déplace, au moyen de galets 8a sur un rail de translation 7 solidaire du bâti do la machine. Le chariot 8 est solidaire, par l'intermédiaire de vérins 9, du moyen ou tête de préhension des trains ou chapelets de cellules. Ce moyen peut entre une hotte de dépression 10 à fonctionnement pneumatique. La face active de cetle botte comporte des creux correspondant au profil des sommets de deux cellules assemblées par l'une de leur arête. Des orifices 11 ménagés sur les faces pentées (lesdits creux forment. lorsqu'on réalise le vide dans la boite de dépression, par exemple au moyen d'une source de dépression raccordée en 12 à la dite botte, autant de ventouses permet- tant de saieir et de transporter les trains do cellules en provenance du magasin 5.Des galets 13 équipent par exemple les orifices 11, de manière à favoriser, par glissement ou roulement, la mise en place parfaite du train de cellules entre la botte à dépression. La boîte à dépression porteuse d'un train de cellules de caractéristiques prédéterminées, permet, ensuite, la mise en place de ce train de cellules en position de soudure. Le bâti de la machine peut être équipé d'un dispositif de correction d'assiette14 permettant de faire varier la position de la machine par mapport à son châssis porteur 4h, de manière à corriger de petits dafauts d'alignement éventuels ou. à donner le cintre voulu à l'ouvrage, compte tenu des effets de la flexion en cours d'avancement. Ce dispositif correoteur 14 sur la construction duquel il n'est pas necessaire de s'étemdre, permet de légères variations de position de la tête de travail de la. machine aussi bien dans des plans horizontaux que dans des plans verticaux. La tête de soudure automatique est, par exemple, mont mobile sur un rail 15 solidaire de la boîte de dépression 10. La t8te de soudure est, par exemple, constituée d'un chariot 16 coulissant ou roulant sur le rail 15. TJn bras 17 est articulé, par exemple à l'aide d'un système de -cardan 17a, sur le. charict 16. L'extrémité inférieure de ce bras perte la tette de soudure proprement dite 18, tandis que son extrémité supposée se divise en deux branches 17b - 17c se terminant, chacune, par une rotule 19, Les rotules 19 coulissent dans des rampes de guidage 20. Les rampes 20 qui peuvent entre de simples profilés tubulaires ouverts, sont, par exemple, solidaires de la bette de dépression 10 et se prolongent suivant une ligne brisée. Les rampes 20 permettent non seulement à la tête de soudure de descendre aux points bas mai.s aussi de la ramener à la verticale an passage du point haut, afin d'éviter le coincement centre le train de cellules mis en place précédemment. La tête de soudure se déplace dans le sens de la flèche F de la figure 9. On monte, de préférence, deux têtes de soudure identiques, de chaque côté de .a bette à dépression 10, de manière symétrique suivant l'axe X, de façon. à pouvoir exécuter une double soudure de part et d'autre de la ligne d'assemblage du train de cellules. On remarque encore que la construction des trains de cellules ainsi que la soudure sur l'ouvrage peuvent entre réalisées en atmesphère inerte, ce qui a l'avantage de soustraire l'intérieur des cellules. à l'oxydation par le fait du gaz retenu lors de l'assemblage ; la protection de l'ouvrage étant obtenue par plastification on peinture. La commande des moteurs. vérins, vannes, arcs de soudure, etc... de la machine, peut eA,tre entièrement programmée et automatisée. Bien entendu, dans le cas de réalisation d'ouvrages importants, la machine pourrait comporter plusieurs chariots de mise en place et procèder à la soudure simultanée de plusieurs trains de cellules REVENDICATIONS 1. Matériau ou structure cellulaire, caractérisé en ce qu'il est formé de cellules tétraédriques régulières creuses assemblées, chacune, par ses arêtes, avec les cellules adjacentes, de manière que deux de ses faces se prolongent dans les plans de deux faces d'une quelconque cellule adjacente, lesdits plans s'entrecroisant, et en ce que chaque face d'une cellule tétraédrique considérée se prolonge de manière continue et dans un meme plan, au sein du matériau, par les faces d'autres cellules identiques ; ledit matériau étant constitué d'une série de plans parallèles et de plans s'entrecroisant0 2.Procédé de fabrication de matériaux ou structures cellulaires selon la revendication 1, caractérisé en ce quon assemble, par soudure, collage ou autrement, des chapelets ou trains de cellules tétraédriques formées par pincement et soudure d'un tube suivant des lignes transversales disposées alternativement dans l'un et l'autre de deux plans perpendiculaires passant par l'axe du tube. 3. Procédé de fabrication de matériaux ou structures cellulaires selon la revendication 1, caractérisé, suivant une réalisation en variante, en ce qu'on forme par emboutissage ou moulage, des nappes de pyramides triangulaires privées de leur base et en ce que ces nappes sont assemblées, par soudure, col.lage ou autrement, par couches sucessives et en étant disposées alternativement de manière inverse, et en ce qu'une plaque est interposée entre les nappes dont les bases sont disposées en vis à vi, 4. Matériau ou structure cellulaire selon la revendication 1, caractérisé, suivant une réalisation en variante, en ce que les volumes en forme d'octaèdre régulier subsistant entre les cellules tétraédriques, sont remplis par des cellules creuses octaédriques de dimensions complémentaires. So Matériau ou structure cellulaire caractérise en ce qu'il est formé de cellules octaédriqu.es régulières assemblées, chacune, par ses arêtes, avec les cellules adjacentes identiques, de manière que deux de ses faces matérialisées se prolongent dans les plans de deux faces d'une quelconque cellule adjacente, lesd.i.ts plans s'entrecroisant ; et en ce que chaque face d'une cellule octahd.rique considérée, se prolonge au sein du matériau, de manière continue et dans un méme plan, par les faces d'autres cellules identiques ; ledit matériau étant constitué d'une série de plans parallèles et de plans s'entrecroisant, 6, Procédé de fabrication de matériaux ou structures selon la revendication 5, caractérisé en ce qu1on forme, par emboutissage ou moulage, des nappes de pyramides à base carrée et dont les faces sont des triangles équilatéraux, et en ce que ces nappes sont assemblées, par soudure, collage ou autrement, par couches successives et en étant disposées alternativement de manière inverse. 7, Machine pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2 on pour la mise en place et la soudure de trains ou chapelets de cellules tétraédriques, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une plate forme porteuse équipée de moyens de roulement et portant des rails pour le déplacement et le guidage en translation du bâti de la machine équipé de galets de roulement ledit bâti eli peut comporter un compartiment d'approvisionnement en trains de cellules, portant un dispositif de préhension et de mise en place desdits trains de cellules, ce dispositif étant mobile sur un rail. solidaire du bâti, par l'intermédiaire d'un chariot auquel ledit dispositif est relié par un ou plusieurs vérins ; les déplacements du dispositif de préhension et de mise en place étant commandés, par exemple, par un vérin solidaire du bâti et dudit dispositif, par ses extrémités opposées ; une tête de soudure étant montée mobile sur un rail solidaire du dispositif de préhension et de mise en placo des trains de cellules. 80 Machine selon Ja revendication 7, caractérisée en ce que le bâti est monté sur un châssis porteur lequel comporte les moyens de roulement sur la plate forme porteuse, avec une latitude de déplacements angulaires dans des plans horizontaux et verticaux par rapport audit châssis ; un moyen correcteur d'assiette permettant l'orientation précise du bâti et son verrouillage dans la position désirée. 9. Machine selon l'une dos revendications 7 ou 8, caractéiis0e en ce que le dispositif de préhension et de mise en place des trains de cellules, est constitué par une botte à dépression à fonctionnemen-t pneumatique dont la face inférieure comporte des creux ayant sensiblement le profil. des sommets de deux cellules assemblées par l'une de leurs arêtes, les faces de ces creux étant pourvues d'orifices formant autant de ventouses, lesdits orifices étant équipés de galets autorisant, par glissement, la mise en place parfaite du train de cellules contre la boite à dépression0 10e Machine selon la revendication 7, on 8, ou 9, caractérisée en ce que la tette de soudure proprement dite est portée par un bras-support monté de manière orientable sur un chariot se dépla çant sur le rail solidaire du. dispositif de mise en place des trains de cellules, l'extrémité du bras-support opposée à la tête de soudure, se divisant en deux branches se déplaçant dans une double rampe de guidage qui se développe suivant une ligne brisée et qui. est solidaire du dispositif de préhension et de mise en place des trains de cellules ; de tels moyens de soudure étant de préférence montés de manière symétrique, de chaque cOté du dispositif de préhension et de mise en place