Brevet FR2501578A1 — publié le 19820917

La présente invention concerne un matériau pouvant être communément dénommé du type "sandwich" et le procédé de fabrication de ce matériau. Le principe des matériaux sandwich est connu; ceux-ci sont généralement composés de 3 parties - Une partie centrale appelée noyau ou âme, présente une certaine épaisseur de façon à utiliser les propriétés mécaniques des poutres. - Deux parties extérieures, appelées peaux. sont rendues solidaires de la partie centrale par tout procédé technique tel que par exemple collage, brasage, soudure etc... L'ensemble se comporte comme une poutre dont le noyau renvoie les efforts auxquels elle est soumise sur les peaux qui ont une grande résistance en traction; le noyau quant à lui est soumis à des efforts de compression et de cisaillement pouvant entrarner diverses dégradations telles que sa destruction interne, par flambage ou arrachement. La résistance de la liaison entre les peaux et le noyau, notamment en fatigue, constitue une caractéristique essentielle du matériau. En raison de la légèreté et de la résistance de ce matériau, celui-ci est fréquemment utilisé, particulièrement mais non exclusivement dans les constructions navales et aéronautiques. Dans ces eecteurs les surfaces à réaliser ne sont pas toujours planes ni même développables; divers procédés sont utilisés actuellement pour surmonter cette difficulté; ils impliquent tous des temps de travail importants et souvent des technologies complexes. Les noyaux généralement utilisés sont réalisés de mousses multicellulaires fermées telles que les mousses de polyuré- thane ou phénoliques, de bois de balsa dont les fibres sont orientées perpendiculairement à la surface, de tubes fermés ou non de section constante ou ondulés en matières diverses orientés parallèlement à la surface, de tubes ou structures genre nid d'abeilles en matières diverses et notamment métalliques orientés perpendiculairement aux surfaces des peaux. Les matériaux obtenus à partir des noyaux ainsi réalisés présentent de multiples inconvénients - Les mousses sont peu résistantes et la destruction du noyau par arrachement ou compression apparaît sous l'effet de forces assez faibles. - Le bois de balsa est plus solide mais la liaison par colle est un point de faiblesse du matériau fini. - Dans l'un et l'autre cas le phénomène dit "reprise d' humidité" limite l'utilisation de ce matériau dans la construction navale en raison de l'alourdissement des coques qui en résulte à l'usage. - - Ces deux procédés en outre rendent malaisée la réali- sation des surfaces non développables. L'utilisation de tubes à section constante évite le phénomène de "reprise d'humidité" mais rend impossible la réalisation de surfaces non développables; en outre la liaison entre les peaux et le noyau est assurée sur des surfaces de faibles dimensions entraînant de ce fait des difficultés nombreuses. Les noyaux du type nid d'abeilles, généralement réalisés en métal, présentent des inconvénients nombreux tels que la difficulté d'assurer une bonne liaison entre noyaux et peaux à un prix raisonnable, la nécessité de recourir à des technniques complexes et coûteuses pour réaliser des surfaces non développables quelconques. La présente invention permet d'éviter les inconvénients des procédés actuellement connus en raison des caractéristiques du matériau : Le matériau final dans sa version la plus élaborée est du type sandwich, la matière dont sont faits le. noyau et les peaux sont quelconques sous réserve de leur compatibilité et de la possibilité d'en assurer la liaison par un procédé quelconque et notamment par collage, brasage ou soudure. Les figures 1 à 3 illustrent la présente description en montrant les surfaces finales f a et f b des peaux et les éléments N du noyau avec leurs surfaces N a et Nb en contact avec les peaux. Le noyau est constitué soit de profils fermés ou ouverts, soit de volumes polyédriques, les surfaces supérieures et inférieures des uns et des autres peuvent être non développables. Les profils de longueur déterminée pouvant être quelconque sont placés jointivement, parallèlement à la surface du matériau sandwich comme indiqué sur les figures 1 et 2; les volumes polyédriques sont placés jointivement conformément à la figure 3. Les profils ou les volumes polyédriques sont rendus solidaires entre eux par tout procédé tel que collage, soudure, brasure. Les surfaces N a , N b des profils et des volumes polyédriques sont définis et calculés comme des surfaces parallèles à la surface finale au sens mathém'atique du terme ou de l objet ou engin à réaliser; les angles correspondants des faces des éléments en contact entre elles sont déduits des faces Na et Nb. Les distances da et db sont égales respectivement à 1' épaisseur de la peau externe et à cette dernière augmentée de la hauteur du noyau (fig. 4). Les distances da et dtb sont égales respectivement à l'épaisseur de la peau interne et à cette dernière augmentée de la hauteur du noyau. (fig. 4) Ces épaisseurs sont variables ou non suivant le point de la surface, pour tenir compte des contraintes auxquelles la structure est soumise en chaque point. Les sections des profils, fermés ou non, ainsi que les formes des volumes polyédriques sont différentes les unes des autres si cela est nécessaire pour que les surfaces externes des éléments du noyau aient en les points où se situent les sections de ces profils ou de ces volumes polyédriques les caractéristiques de courbure des surfaces finales du noyau, ellei-mêDes parallèles au sens mathématique du terme aux surfaces externes du matériau final à réaliser. La largeur moyenne de la section varie si nécessaire en fonction de la localisation finale de celle-ci sur la surface. Les profils ou les volumes polyédriques sont de typea variés, les figures 5 à 8 donnent une liste non limitative d exemples de tels profils ou volumes polyédriques. Par sa structure le matériau sandwich objet de l'inven- tion remédie aux inconvénients des matériaux actuellement connus : - Aucune reprise d'humidité n'est possible; les profils ou les volumes polyédriques peuvent être mis en communication entre eux au moyen d'une simple ouverture etien communication avec l'intérieur ou l'extérieur de l'objet si nécessaire permettant ainsi la circulation'des fluides à l'intérieur du matériau. - La surface disponible pour assurer les liaisons entre le noyau et les peaux peut atteindre 100 S, de la surface finale de l'objet permettant d'obtenir une grande résistance notamment en fatigue. -"La contiguité des éléments du noyau et les caractéristiques de leur section permettent leur liaison notamment par collage, brasage ou soudure permettant daugmenter la rigidité du noyau, au point que dans certains cas il est possible de supprimer l'une ou l'autre des deux peaux, ou même les deux. - Le conformage exact des éléments du noyau aux caractéristiques de la surface finale permet de réaliser toute surface développable ou non développable. Le procédé de réalisation du matériau final comprend la fabrication des éléments du noyau, leur assemblage pour constituer le noyau puis la solidarisation avec les peaux si cela est nécessaire, celles-ci pouvant être réalisées directement sur le noyau. L'invention concerne la structure du matériau et le procédé de fabrication des éléments du noyau. Le conformage exact des eléments du noyau aux caractéristiques de la surface est obtenu par un asservissement de la machine fabriquant le profil - décrite ci-dessous - aux données relatives à la surface finale. Chaque élément, soit profil fermé ou non, soit volume polyédrique est spécialement fabriqué en tenant compte de sa localisation dans llobjet final. Ce résultat est obtenu par une suite d'opérations effectuées par un système informatique programmable ou par plusieurs systèmes informatiques programmables connectés entre eux. La figure 9 illustre à titre d'exemple le processus. Un système informatique S1 reçoit notamment mais non exclusivement (Opération 1 de la fig. 9) - Les paramètres mathématiques descriptifs des surfaces finales de l'objet à réaliser. - Les caractéristiques géométriques des éléments du ma tériau final telles que épaisseur des peaux, épaisseur du noyau, largeur et longueur des éléments. Sur la base des caractéristiques précédentes un logiciel élabore (Opération-3 ) les caractéristiques précises de chaque élément en chaque point (notamment les courbures des surfaces) en tenant compte des éléments déjà fabriqués dont les caractéristiques sont conservées en mémoire, sur bande ou disque magnétique ou tout autre moyen de stockage à accès rapide. (Opération 2 ) Ces caractéristiques sont notamment - La forme précise de chaque section du profil. - La courbure longitudinale du profil. - La forme précise des volumes polyédriques. Les caractéristiques ainsi calculées de chaque point des éléments longitudinaux ou des volumes polyédriques sont transmises à un système informatique S2 sur appel de ce dernier. Ce système informatique S2 asservit (Opération 4 ) les les commandes des mécanismes de la machine de fabrication des profils ou des volumes polyédriques conformément aux caractéristiques définies par le système informatique S1 et transmises par ce dernier. Le même système S2 (Opération 5 ) commande le marquage des éléments, reçoit et interprète les informations de contrôle recueillies sur les éléments fabriqués et élabore les ordres correctifs nécessaires. En outre le système S2 transmet au système S1 (Opération 6 ) les informations qui lui sont nécessaires pour la passation du système S1 au système S2 des caractéristiques des prochains éléments à fabriquer ainsi que les informations relatives aux éléments fabriqués qui peuvent être acceptés ou rejetés. Dans le cas où les profils sont réalisés en plusieurs élé ment's séparés puis assemblés, la même procédure est appliquée pour chacun des composants du profil. La machine ci-dessus mentionnée reçoit les informations élaborées par le ou les systèmes informatiques et les transforment an mouvements mécaniques permettant de positionner avec précision les éléments mobiles des outillages destinés à conformer les éléments à fabriquer. La description suivante donne un exemple non limitatif de la technique utilisée Une machine d'extrusion sort, comme cela est connu, un profil dont la forme est obtenue par une pièce dite " d'extrusion ". Celle-ci est composée d'un bloc d'acier évidé de telle façon qu'il donne àla matière passant par l'évidement la fores du contour extérieur et, dans le cas dun profil fer mé, d'uni noyau d'acier donnant la forme intérieure. Un conformateur situé après la tête d'extrusion maintient ou complète la forme à obtenir pendant le cycle de refroidissement ou de façon générale de durcissement de la matière. L'invention consiste essentiellement en ce que d'une part les parois de lateatedextrusion et / ou du conformateur qui forment 11 extérieur du profil et d'autre part le cas échéant le noyau qui forme lintérieur du profil sont déformables et peuvent prendre des positions relatives variables. Ces modifications sont asservies aux ordres élaborés par le système informatique S2 conformément aux procédures décrites ci-dessus. Les figures 10 et 17 donnent à titre non limitatif des exemples de conformateurs comportant des surfaces variables asservies. Les déplacements nécessaires à ces variations sont transmis aux différents éléments de ces pièces par des générateurs de mouvements, comme indiqué sur la figure 12 à titre exemple, tels que vérins hydrauliques, pneumatiques, électriques, moteurs électriques pas à pas agissant sur des excentriques, bielles, crémaillères, pas de vis etc... Dans le cas où la dimension de ces générateurs est telle que la place est insuffisante pour les placer sur un même niveau, ceux-ci sont décalés horizontalement ou verticalement comme indiqué sur les figures 12f et 12g ; on peut aussi utiliser des commandes à distance par cables souples. La fabrication des éléments polyédriques recourt à 1' emploi d1un conformateur de forme différente mais dont les faces sont modifiées conformément aux principes ci-dessus décrits. Dans ce cas l'extrusion du tube est verticale et une aiguille pénétrant par la face inférieure du volume insuffle de l'air de façon à plaquer les faces du polyèdre sur les parois du conformateur qui sont variables comme indiqué cidessus. En outre les polyèdres sont reliés entre eux après rigidification par un ou plusieurs cordons comme indiqué sur la figure 13 à titre d'exemple. LISTE DES FIGURES Figure 1 : Structure du matériau à éléments longitudinaux fermés. Figure 2 : Structure du matériau à éléments longitudinaux ouverts. Figure 3 : Structure du matériau à éléments polyédriques fermés. Figure 4 : Coupe du matériau selon un plan normal au maté riau et à la fibre moyenne d'un élément du noyau. Figure 5 : Section d'éléments longitudinaux ouverts contigus. Figure 6 : n n Ir n avec recouvrement. Figure 7 : Section d'éléments fermés composés de 2 éléments assemblés. Figure 8 : Section d'éléments fermés composés de 4 éléments assemblés. Figure 9 : Schéma du processus de commande de la machine réalisant les éléments du noyau. Figure 10 : Conformateur à parois continues déformables. Figure il : " " déformables lamellaires. Figure 12 : Exemples de commandes 12-a : par crémaillères 12-b : par cables souples i2-6 : par bielles 12-d : par vis entrainée par moteur électrique 12-e : pneumatiques ou hydrauliques 12-f/g: position des commandes : vue de profil (f) vue en plan (g) Figure 13 : Liaison des éléments polyédriques. REVENDICATIONS 10) Structure de matériau pouvant être du type "sandwich" caractérisée par le fait qu'elle est composée de peaux solidaires d'un noyau formé d'éléments contigus solidarisés entre eux dont les sections pouvant être variables présentent des courbures égales à celles des surfaces parallèles aux surfaces finales de l'objet réalisé. 20) Structure de matériau tel que celui visé sous le point 1 ci-dessus caractérisé par le fait que une ou les peaux sont supprimées, les surfaces du noyau étant alors celles du matériau final. 30) Forme des éléments du noyau selon les revendications 1 et 2 caractérisée par le fait que ceux-ci sont des profils longitudinaux fermés ou non, en une ou plusieurs parties dont les sections sont variables si nécessairten fonction de leur localisation sur la surface finale. 4 ) Forme des éléments du noyau selon les revendications 1 et 2 caractérisée par le fait que ceux-ci sont des volumes polyédriques en une ou plusieurs parties dont les sections sont variables si nécessaire en fonction dle leur localisation sur la surface finale. 5 ) Procédé de fabrication des éléments selon les reven dications 3 et 4 des structurès selon les revendications 1 et 2, caractérisé par l'asservissement de-la machine de fabrication desdits éléments au moyen d'un processus automatique de calcul comprenant une phase de calcul des caractéristiques des éléments du noyau à partir de leur localisation dans ce dernier, une phase d'élaboration des commandes de la machine conformant ltélément, une phase de contrôle de la forme des éléments entrainant une correction des commandes de la machine au niveau de la phase de conformation des éléments et une phase de traitement des informations relatives aux éléments réalisés en vue de définir les éléments suivants à réaliser. 60) Machine d'extrusion comportant une tête d'extrusion et un conformateur caractérisée par des parois variables dont les modifications sont commandées conformément à des ordres élaborés selon la revendication 5. 70) Parois modifiables selon la revendication 6 caractérisées par le fait qu'elles sont constituées par des plaques continues déformables, des plaques contigues et mobiles les unes par rapport aux autres, des roues circulaires ou non positionnables indépendamment les unes des autres. 80) Commandes des déformations des parois selon la revendication 7 par des générateurs de déplacement mécaniques, électriques, hydrauliques, pneumatiques placés côte à côte ou décalés les uns par rapport aux autres. 90) Utilisation du matériau selon les revendications 1 et 2 en vue de réaliser par exemple des éléments de navires, d' aéronefs ou d'une façon générale des objets présentant des surfaces non développables.