Brevet FR2150511A1 — publié le 19730406

La présente invention c-oncerne des panneaux composites cellulaires désignés ci-après par l'expression "panneaux à âme en nid d'abeilles", pouvant etre utilisés dans de nombreuses applications. Ces panneaux sont particulièrement avantageux du fait qu'ils présentent, d'une part, un rapport résistance mécanique/poids élevé et. d'autre parc, une très grande rigidité. Ces caractéristiques sont très importantes mais jusqu'à présent, on n'a guère cherché à obtenir des rapports résistance mécanique/ poids optimaux et la rigidité obtenue a toujours été suffisante pour permettre au panneau de se dissocier de lui-même. Les panneaux à ame en nid d'abeilles classiques utilisés dans l'industrie aéronautique et la construction sont réalisés dans les matières les plus diverses, par exemple la toile verrée, la feuille métallique, le papier Kraft ou encore dans des combinaisons de ces diverses matières. Les trois matières précitées sont utilisées pour la fabrication de lzAme en nid d'abeilles, tandis que les revêtements superficiels sont le plus souvent en métal d'épaisseur variable ou, éventuellement, en toile verrée. Dans la major rité des cas, le métal utilisé est un alliage d'aluminium. Le haut degré de rigidité qui caractérise ce genre de panneaux et qui les rend si populaires a presque toujours été obtenu dans la technique antérieure par l'agencement d'un grand nombre de cellules d'environ 12 mm de coté.Par conséquent, ces panneaux sont plus lourda outils ne devraient être pour la tâche qui leur est assignée et cet excès de poids représente une dépense supplémentaire. De plus, ces panneaux sont très raides et résistent presque totalement à la flexion jusqu'à leur limite de résistance. Une foSs cette limite atteinte, ils se gondolent et se détériorent complètement. L'invention a pour objet essentiel un panneau composite cellulaire qui permet de remédier à ces inconvénients. Ce panneau comprend une Sme constituée par des bandes planes allongées et des bandes ondulées en matière plastique renforcée de fibres,alternéesy parallèles et opposées. Les ondulations s'étendent transversalement par rapport à l'axe longitudinal des bandes et la crête de ces ondulations entre en contact avec les bandes planes adjacentes afin de constituer une série de cellules dont les bords sfétendenc dans deux plans sensiblement parallèles et constituent ainsi les faces principales de l'ame du panneau. Ces faces principales sont en matière plastique renforcée de fibres et sont collées a bord des cellules. La résistance mécanique recherchée est obtenue avec un minimum de matières, d'où résulte une réduction du poids et par conséquent, du prix de revient des panneaux. Ces panneaux présentent sensiblement la même résistance à la flexion et au flambage, mais admettent un certain degré de fléchissement élastique qui absorbe de fortes charges instantanées sans se gondoler ou se décoller. De préférence, le panneau composite de l'invention est entièrement réalisé dans une matière unique, de préférence sous la forme de feuilles ou bandes de résine plastique synthétique renforcée de fibres par exemple une résine de polyester. Le renforcement est assuré de préférence par de la fibre de verre se présentant sous la forme d'un mat feutré. L'âme du panneau est constituée par des bandes de la matière précitée alternativement planes et ondulées assemblées entre elles de maniere que les crêtes des ondulations collées contre les bandes planes constituent des cellules dirigées dans le sens de l;épaisseur entre deux faces principales sensiblement planes. La matière formant l'ame est partiellement ou totalement durcie à chaud afin d'assurer la rigidité de l'ensemble. Les revEtements superficiels sont constitués par un mat de matière fibreuse feutrée imprégné de résine de polyester liquide non durcie. Ges revétements sont placés contre les faces principales de l'âme et appliques contre les bords des cellules sous une pression de l'ordre de 351,5 à 843 g/cm. Sous l'effet de cette pression, les bords des cellules marquent la surface intérieure des revêtements sur une profondeur d'au moins 0,0762 cm, ce qui peut représenter la moitié environ de l'épaisseur de ces revétements. Par ailleurs, une résine du même type présentant une viscosité élevée et renforcée de fibres disposées au hasard peut Stre appliquée sur le bord des cellules afin de former des congés de raccordement. L'association des marques et des congés permet obtenir uni assemblage résistant entre les cellules et les revêtements superficiels. Le stratifié est ensuite durci à chaud sous pression. Les études théoriques et les essaims pratiques ont dénntre que les meilleurs résultats étaient obtenus en donnant aux divers éléments des dimensions comprises dans des limites déterminées. La hauteur de cellules c'est-à-dire la distance qui sépare le plan de base de la crête de lçordula- tion opposée, est un facteur important. Si cette hauteur de cellules est inférieure à 3,048 cm environ, la résistance mécanique et la rigidité du panneau sont plus grandes qu'il n'est nécessaire, ce qui représente une perte de matière et un poids trop important.Si la hauteur de cellules est supérieure à 10,16 cm environ, le bord des cellules n'est pas collé au revêtement sur une superficie suffisante pourrésister aux efforts de traction et le panneau risque de se décoller. Pour ces hauteurs, les ondulations présentent des parties intermédiaires qui sont de préférence des plans inclinés, dont le dièdre est compris entre 60 et 900. Comme mentionné précédemment, les cellules de petites dimensions utilisées dans la technique antérieure donnent des panneaux extrêmement rigides. Ces panneaux résistent à la charge en bout, comme dans le cas du côté comprimé d'une poutre, jusqu'au moment où ils atteignent leur résistance limite ou la résistance limite du collage et cèdent alors dun seul coup et complètement. Dans les panneaux ayant des cellules dont les dimensions sont conformes à l'invention, la superficie de revêtement délimitée par le profil de chaque bord de cellules est suffisante pour permettre a ce revêtement de s'enfoncer légèrement ou d'onduler élastiquement sans dépasser la résistance limite de la matière ou du joint.Par conséquent, le grand nombre d'ondulations ainsi formées oppose une résistance élastique progressive à la charge appliquée et le panneau peut résister à des charges instantanées très élevées sans risque de rupture. La résistance au cisaillement du joint exercé par les indentations ménagées dans le revêtement est nettement supérieure à celle dtun joint obtenu par simple collage entre deux élément rigides. Les congés en résine renforcée de fibres améliorent également de façon appréciable la résistance mécanique du joint. L'épaisseur des bandes constituant l'âme doit être sensi blement la même pour toutes les dimensions de panneaux, c'est-à-dire comprise entre 0,0635 et 0,0889 cm, l'épaisseur nominale étant de 0,0762 cm. L'épais- seur des revêtements superficiels, au contraire, dépend de la hauteur de cellules et l'expérience montre qu'elle doit être comprise entre environ 1/20e de la hauteur de cellules minimale et environ 1/40e de la hauteur de cellules maximale. Par conséquent, l'épaisseur des reêtemerts doit être comprise entre environ 0,1524 et 0,254 cm. D'autres objets et avantages de lirwentisn Seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple préféré de réalisation et en se référant aux dessins annexé sur lesQuels - la figure 1 est une vue en perspective d ur panneau composite conforme à l'invention; - la figure 2 est une coupe du panneau composites et - la figure 3 est une vue en plan de l'âme du panneau composite de l'invention. Comme indiqué sur la figure 1, un panneau 10 en nid d'abeilles est constitué par une ame 12 comprise entre des revêtements superficiels 14. L'âme comprend des bandes 16 planes et des bandes 18 ondulées, dans lesquelles les ondulations s'étendent transversalement à l'axe principal des bandes. Comme indiqué sur la figure 3, les ondulations présentent des plans inclinés 20 et des crêtes arrondies 22. Les bandes planes et ondulées sont assemblées en alternance, les crêtes d'une bande ondulée donnée étant en contact avec les bandes planes adjacentes de part et d'autre afin de délimiter des cellules sensiblement triangulaires, les crêtes d'une rangée étant de préférence en contact avec les bases de la rangée suivante. L'ensemble du panneau est de préférence réalisé dans la même matière, mais différentes matières peuvent être utilisées peur certaines applications spéciales. Avantageusement, la résine utilisée est une résine de polyester renforcée par des fibres de verre et contenant un activateur et, soit un catalyseur travaillant avec ou sans chaleur, par exemple le peroxyde de benzoyle, soit un catalyseur travaillant avec ou sans chaleur, par exemple le peroxyde de méthyléthylcétone. N'importe quelle fibre de verre peut être utilisée, mais on utilisera de préférence un mat fibreux feutré avec des fibres disposées au hasard, imprégné de résine et durci à chaud.De bons résultats ont été obtenus en laissant durcir le mat imprégné pendant 5 à 7 mn à une température de 120 à 180 C. La matière ainsi durcie a une résistance à la traction comprise entre 1054,5 et 1406 kg/cm et un module d élasticité de 1 x 106. Lors de la réalisation du panneau5 l'âme est tout d!abord agencée de la manière décrite, les bandes planes et ondulées étant disposées en alternance et les crêtes 22 étant en contact avec les bandes 16 planes pour délimiter les cellules 24 sensiblement triangulaires, comme indiqué plus clairement sur la figure 3. L'âme est ensuite partiellement ou totalement durcie à chaud de manière à la rendre sensiblement rigide avec les bandes collées les unes aux autres. Les revêtement superficiels, sous la forme de mats fibreux imprégnés de résine liquide non durcie,sont ensuite appliqués contre les deux faces principales de l'âme sous une pression de lXordre de 351,5 à 843,6 g/cm. Sous l'effet de cette pression, les bords des cellules marquent sensiblement les faces intérieures du revêtement, comme indiqué sur la figure 2 en 26, afin de produire un effet de verrouillage. De maniere à améliorer encore la résistance mécanique du joint entre les cellules et le revêtement, une résine à viscosité élevée renforcée de fibres de verre peut etre appliquée sur le bord des cellules avant la stratification. La pression des bords des cellules produit alors des congés 28, lesquels augmentent sensiblement la surface de collage et comportent des fibres qui s'étendent le long de la courbure pour constituer des renforcements.Ceci est rendu nécessaire par le fait que le bord des cellules a tendance à entrer en contact avec les fibres du revvetement suivant un angle droit, comme indiqué à droite de la figure 2. I1 est évident que la pénétration du bord des cellules dans les revetements améliore nettement la résistance au cisaillement du joint. On comprendra aisément que tous les éléments du panneau sont finalement totalement durcis à chaud afin d'obtenir une structure rigide. Les limites fixées aux dimensions ont été déterminées après un grand nombre d'études théoriques et pratiques. La hauteur H d'une cellule doit etre comprise entre 3,048 cm et 10,16 cm. Des cellules plus petites conduisent à utiliser plus de matières qu'il n'est nécessaire et rendent le panneau trop rigide. Au contraire, des cellules dont la hauteur dépasse 10,16 cm ont sur leur bord une surface de collage insuffisante. L'épaisseur des bandes constituant l'âme est d'environ 0,0762 cm et, pour une superficie 2 de 0,093 m de panneau, la longueur totale du bord des cellules est de 2 228,6 cm. Ceci représente environ 16,383 cm . La limite de résistance à la traction et au cisaillement est de l'ordre de 140,6 kg/cm, alors que le panneau devrait résister à des charges de cisaillement et de traction de l'ordre de 29,298 kg/m.Par conséquent, les hauteurs de cellules supérieures à environ 10,16 cm ne permettent pas d'obtenir la résistance mécanique néees- saire. Les dimensions des cellules utilisées dans l'invention permettent d'obtenir un panneau pratiquement aussi rigide que les panneaux de technique antérieure mais qui résiste élastiquement à des charges instantanées très élevées, qui provoqueraient le gondolage des panneaux de technique antérieure. Ceci provient du fait que les zones intracellulaires du revetement sont suffisamment grandes pour permettre la flexion élastique locale ou la formation d'ondulations entre les bords des cellules, comme indiqué sur la figure 2 en 30. Ceci permet d'éviter l'accumulation d'une tension importante en un point donné, ce qui entratnerait la rupture par déformation.La résistance élastique croit avec la déformation. I1 est évident que la matière cède lorsqu'elle atteint sa limite de résistance mais, par la caractéristique de fléchissement,résiste avec succès à de très fortes charges instantanées. Comme indiqué en 32, les charges et la déformation exercent, dans le sens de la flèche 34, une force de grande intensité qui tend à rompre le joint entre le bord des cellules et le revbtement superficiel. Le congé 28 de renforcement s'oppose à cette tendance à la rupture. Afin d'obtenir les meilleurs résultats possibles, toutes les dimensions du panneau sont en relation mutuelle. L'épaisseur t des bandes formant l'ame du panneau est comprise entre 0,0635 et 0,0889 cm, l'épaisseur nominale étant de 0,0762 cm. Une bande plus mince aurait tendance à se rompre sous la charge et une bande plus épaisse rendrait l'âme trop rigide pour obtenir les résultats recherchés. L'épaisseur T du revêtement varie en fonction de la hauteur de cellules et représente de préférence 1/20e environ de H à l'extrémité inférieure des cellules et environ 1/40e de H à l'extrémité supérieure. L'épaisseur du revêtement est donc comprise entre environ 0,1524 et 0,254 cm.La profondeur de pénétration des bords de cellules dans le revêtement superficiel est au minimum de l'ordre de 0,0762 cm, soit environ la moitié de l'épaisseur minimale du revêtement superficiel. Bien que l'épaisseur du revêtement soit réduite dans les zones de pénétration, la densité des fibtes est accrue, de sorte que la matière conserve la résistance mécanique nécessaire. 2 On obtient la quantité nécessaire de bandes par cm de panneau en formant les ondulations,de manière que le dièdre oe entre les plans inclinés 18 adjacents soit compris entre 60 et 900. Les plans 18 sont de préférence raccordés par un arc de cercle 22, dont le rayon R est égal à 25 à 35% de H. La portée S entre les crêtes des ondulations est de tordre de 1,8 H à 2,3 H. Dans l'exemple de réalisation décrit précédemment, la partie en arc de cercle des bandes formant 1'2me supporte les charges de compression, tandis que les parties planes supportent les charges de cisail lement. Le panneau composite de l'invention est particulièrement adapté pour supporter des efforts de cisaillement longitudinaux (normalement verticaux) exercés parallèlement et transversalement aux bandes planes et des efforts de cisaillement transversaux (normalement horizontaux). L'exemple de réalisation représenté est particulièrement avantageux du fait qu'il permet d'obtenir un rendement optimal, c'est~à-dire qu'une surface maximale peut être couverte avec un minimum de matières, sans toutefois compromettre les exigences structurelles du panneau et qu'il permet d'obtenir un équilibre optimal entre la résistance au cisaillement dans les divers plans et la résistance à la compression normalement à la surface du panneau. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, par exemple, les congés ont été décrits comme comportant des fibres disposées au hasard, mais dans certaines applications ils peuvent être constitués uniquement de résine qui est expulsée des revetements superficiels, lorsque ceux-ci sont pressés contre les cellules ou encore d'une résine pure qui est appliquée auzbordsdes cellules avant que les revêtements superficiels soient fixés à ceux-ci. R E V E N D I C A T T O N S 1. Panneau composite cellulaire en matière plastique à haute résistance mécanique,constitué par une âme insérée entre des revêtements superficiels, caractérisé en ce que l'âme comporte des bandes planes allongées et des bandes ondulées en matière plastique renforcée de fibres ces bandes étant parallèles, opposées et disposées en alternance, les ondulations s'étendant transversalement à l'axe longitudinal des bandes et les crêtes de ces ondulations étant en contact avec les bandes planes adjacentes de manière à délimiter dans l'âme des cellules, dont les bords se trouverL dans deux plans sensiblement parallèles constituant les faces principales de l'âme, et en ce que chacun des revêtements superficiels est en matière plastique renforcée de fibres collées sur des cellules. 2. Panneau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur des cellules, mesurée entre la bande plane et la crête opposée d'une ondulation, est comprise entre 3,048 cm et 10,16 cm environ. 3. Panneau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bandes formant l'âme et les revêtements superficiels sont réalisés dans la meme résine plastique et sont liés par la même résine plastique pour former un ensemble unitaire, et en ce que les bandes et les revêtements superficiels sont renforcés de fibres de verre. 4. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur des revêtements superficiels est comprise entre 1/20e de la hauteur de cellules minimale environ et 1/40e environ de la hauteur de cellules maximale. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les parties des ondulations détendant entre les crêtes adjacentes sont des plans inclinés, le dièdre formé par ces plans adjacents étant compris entre 60 et 90 > . 6. Panneau selon l'une quelconque des revendicatiors 1 à caractérisé en ce que les cretes des ondulations sont en arc de cercle et ont un rayon égal à environ 25 à 35% de La hauteur de cellules. 7. Panneau selon l'une quelconque de reverdicasions prece dentes, caractérisé en ce que l épaisseur des bande fermant 1 âme ezt comprise entre 0,0635 et 0,0889 cm environ. 8. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. caractérisé en ce que les bords des cellules pénètrent dans les faces inté rieures des revêtements superficiels jusqu'a une profordeur minimale d'environ 0,0762 cm, de manière à améliorer la résistance au cisaillement des joints collés entre les revêtements et les cellules. 9. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par des congés en résine renforcée de fibres aux jonctions des cellules et des revêtements superficiels. 10. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'épaisseur des revêtements superficiels est comprise entre 0,1524 et 0,254 cm.