Brevet FR2545037A1 — publié le 19841102

Elément de construction-sandwich en composite fibreux. L'invention se rapporte à un élément de construction-sandwich en matériau composite fibreux à surface incurvée, comprenant des revêtements supérieur et inférieur et un noyau-support en nid d'abeilles collé entre ceux-ci. Il est connu de fabriquer des éléments de construction légers de haute résistance de type sandwich avec revêtements supérieur et inférieur en matériau composite fibreux et, collé entre ceux-ci, un noyau métallique en nid d'abeilles, généralement en aluminium, l'emploi d'un nid d'abeilles en aluminium ou d'un matériau de noyau analogue qui, de même que les revê- tements, peut être relativement facilement façonné dans certaines limites jusqu'au durcissement du matériau composite fibreux, offre la possibilité de fabriquer économiquement un tel élément de construction-sandwxich même avec contour de surface incurvéeo La tenue différente en cas de dilatation thermique, d'une part, du noyau-support, et, d'autre part, des revêtements composites fibreux, pose cependant des problèmes dans des cas d'utilisation o il importe d'assurer un haut degré de fidélité de contour et de stabilité de forme de la surface de l'élément de construction soumis à des variations de température, en particulier si les revêtements sont réalisés en fibres de carbone de haute résistance avec un coefficient de dilatation thermique extremement faible, par exemple en cas de miroirs, de radiotélescopes de plus de 10 mètres de diamètre qui se composent de ces éléments de construction- sandwich en matériaux composites fibreux formant chacun un segment de miroir paraboloidal et qui, en cas de fortes différences de température, doivent garantir en permanence un effet de focalisation exact, ou si les outils de formage pour la fabrication de ces segments de miroir en matériaux composites fibreux doivent eux-mêmes être réalisés sous forme d'éléments-sandwich composites fibreux dimensionnellement stables sous l'effet de la chaleur. L'objet de l'invention est de mettre au point un élément de construc- tion-sandwich en matériau composite fibreux du type précité qui puisse, sans mise en oeuvre de moyens de fabrication importants, garantir un haut degré de stabilité dimensionnelle de la surface de l'élément de construction en cas de variations de température. Avec un élément de construction-sandwich en matériau composite fibreux du type précité, ce résultat est atteint selon 1 invention par le fait que le noyau-support se compose d'entretoises planes s'emboîtant mutuellement en forme de croix et respectivement préfabriquées à partir d'iune pièce découpée conformément au contour de la surface de l'élément de construction et réalisée dans le mime matériau composite fibreux que les revetements Dans un autre mode de réalisation également avantageux de ilinvention, le noyau- support est constitué par des pièces profilées placées debout et pré- fabriquées dans le même matériau composite fibreux que les revêtements, ces piëces profilées ayant des longueurs différentes conformément au contour de la surface de l'élément de construction et étant disposées les unes à coté des autres tout en étant mutuellement raccordées. Dans le premier mode de réalisation de l'invention, le noyau en nid d'abeilles est réalisé dans le neme matériau composite fibreux que les revêtements et se compose de différentes entretoises préfabriquées qui, s'emboitant en croix les unes dans les autres, sont découpées à l'état durci avant la constitution du noyau en nid d'abeilles conformément à la géométrie locale de la section transversale qu'elles doivent occuper dans l'élément de construction, si bien que tout en supprimant les outils de formage compliqués qui sont nécessaires à la fabrication en une seule pièce d'une structure en nid d'abeilles incurvée en matériau composite fibreux, ou en évitant même les retouches ultérieures avec enlèvement de copeaux qui doivent Ptre effectuées sur le noyau en nid d'abeilles terminé et ne peuvent se faire qu'avec des mesures de précautions très strictes pour protéger les entretoises à paroi mince très cassable, on obtient par une technique de fabrication extrêmement simple, un élément de construction-sandwich en nid d'abeilles entièrement réalisé en matériau composite fibreux et dans lequel on élimine complètement les déformations provoquées par les dilatations thermiques différentes intervenant entre les revêtements et le noyau en nid d'abeilles. En vue d'une orientation des fibres adaptée au matériau et à la charge et pour faciliter la fabrication, le plus simple selon l'invention consiste à découper les entretoises du nid d'abeilles dans une plaque en matériau composite fibreux ayant l'orientation voulue des fibres et en conformité de la forme locale de la section transversale du noyau en nid d'abeilles qu'elles doivent occuper et, pour garantir leur stabilisation réciproque au sein du noyau, à les fendre respectivement en sens contraire et à les emboîter les unes dans les autres en formant une liaison par enfourchement réciproque. Dans le second mode de réalisation en variante, le noyau en nid d'abeilles est constitué par des pièces profilées en matériau composite fibreux placées debout et de longueur différente selon la hauteur de l'endroit qu'elles occupent dans la section transversale de l'élément de construction, ces pièces profilées étant fixées les unes à côté des autres de façon étagée conformément à la courbure de la surface des revêtements, de manière à respecter ici aussi le même principe de base que dans l'élément de construction-sandwich du premier mode de réalisation, le noyau pouvant cependant comporter des nids d'abeilles de section transversale de forme différente et non seulement polygonale, et ces pièces individuelles étant obtenues par simple tronçonnage d'un profilé sans fin en matériau composite fibreux durci, par exemple dans le cas le plus simple, d'une ligne de tubes en matériau composite fibreux qui est préfabriquée en plusieurs couches avec fibres inclinées obliquement par rapport au sens longitudinal du tube, se croisant et/ou parallèles Pour que les gradations, qui se produisent entre les pièces profilées voisines et qui, en cas de courbure constante de la surface de l'élément de construction, sont compensées par le stratifié de la couche de revêtement, ne deviennent pas trop importantes, les pièces profilées, selon une autre particularité avantageuse de l'invention, ont une section transversale allant en diminuant au fur et à mesure qu'augmente la pente du contour de la surface, et leurs extrémités peuvent, en plus, être chanfreinées tangentiellement au contour de la surface de l'élément de construction. Pour assurer les différents éléments individuels du noyau en nid d'abeilles, c'est-à-dire les entretoises ou les pièces profilées, contre tout déplacement intempestif avant l'application des revêtements et améliorer leur effet de renforcement réciproque au sein de l'élément de construction terminé, l'invention propose de coller mutuellement les entretoises ou les pièces profilées du noyau en nid d'abeilles avant la mise en place des revêtements En raison de ses caractéristiques mécaniques et thermiques supérieures, on choisit de préférence un matériau composite en fibres de carbone pour les différents éléments du noyau en nid d'abeilles et les 254507 7 revêtements Lorsqu'une stabilité dimensionnelle extrêmement rigoureuse est exigée pour la surface de l'élément de construction, par exemple dans le cas de son utilisation précitée pour des miroirs de radiotélescope, il est recommandé, selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, pendant le raccordement au noyau en nid d'abeilles, de faire complètement refroidir ou tout au moins de commencer à refroidir la couche de revêtement laminée sur un outil de formage courbé conformément à la géométrie recherchée de la surface de l'élément de construction Par des perforations pratiquées selon l'invention dans les entretoises ou les pièces profilées, on peut avantageusement obtenir pour finir un équilibrage des pressions entre les différents alvéoles du noyau et par rapport à l'environnement, en particulier au cas o l'élément de construction selon l'invention est lui-même utilisé sous forme de moule pour la fabrication dans un autoclave avec pression et apport thermique d'éléments de construction en matériau composite fibreux de même matériau. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente une vue schématique en perspective d'un élément de construction-sandwich en matériau composite fibreux avec un noyau en nid d'abeiles composé de différentes entretoises, le revêtement supérieur étant représenté partiellement arraché par souci de clarté; la figure 2 est une vue en perspective de deux entretoises individuelles du noyau en nid d'abeilles selon la figure 1 avant l'assemblage; la figure 3 est une vue en perspective analogue à celle de la figure 1 d'un élément de construction-sandwich en matériau composite fibreux avec un noyau en nid d'abeilles constitué par des pièces profilées tubulaires; la figure 4 est une vue en coupe partielle d'un élément de construc- tion-sandwich correspondant à la figure 3 lors de l'application du revêtement. L'élément de construction-sandwich 2 représenté sur les figures 1 et 2 comprend un noyau-support interne 4 en forme de nid d'abeilles et, appliqués sur celui-ci, des revêtements supérieur et inférieur 6 et 8, et présente au niveau de son revêtement supérieur 6 un contour de surface réalisé incurvé sous forme de surface partielle paraboloidale Le noyau en nid d'abeilles 4 25450 C 7 est fabriqué avec le même matériau composite fibreux, de préférence un matériau composite à fibres de carbone, que les revêtements 6 et 8, et à cet effet se compose de plusieurs entretoises transversales et longitudinales préfabriquées 10, 12 à paroi mince et en matériau composite fibreux emboîtées en forme de croix et dont les entretoises transversales 10 sont disposées dans des plans perpendiculaires à l'axe de symétrie du parabolo'ide et par consequent réalisées en forme d'arc de cercle au niveau de leur bord 14 collé sur le revêtement supérieur 6, tandis que les entretoises longitudinales 12 convergent vers le somet du paraboloïde, et au niveau du bord supérieur 16, sont réalisées en forme de parabole selon la génératrice de la surface paraboloidale Les entretoises 10 et 12 sont préfabriquées à partir d'une plaque à paroi mince en matériau composite fibreux durci avec fibres se croisant, cette plaque étant sciée conformément à chaque découpe des différentes entretoises 10, 12 de façon que les fibres de renforcement dans l'entretoise 10 ou 12 soient disposées obliquement par rapport au sens longitudinal de l'entretoise comme cela est représenté par des hachures croisées sur la figure 2 Les entretoises 10, 12 à l'exception des entretoises de délimitation extérieure du noyau 4 en nid d'abeilles sont munies de fentes 18 pratiquées à distance régulière les unes des autres et respectivement en sens inverse, c'est-à-dire les entretoises transversales 10 à partir du bord supérieur 14 et les entretoises longitudinales 12 à partir du bord inférieur (figure 2) de façon qu'elles puissent s'embolter les unes dans les autres en formant une liaison par enfourchement réciproque, ces entretoises étant encore en plus collées au niveau de leurs points d'intersection et formant ainsi, à l'état monté, un noyau en nid d'abeilles dimensionnellement stable qui est courbé en forme de parabolo'ide sur sa face supérieure et, après la pose et le durcissement complet des revêtements 6, 8, donne naissance à l'élément de construction-sandwich préfabriqué 2 de surface à contour parabololdale Les perforations 20 pratiquées dans les entretoises 10, 12 entre les fentes 18 avant l'assemblage du noyau en nid d'abeilles 4 assurent un équilibrage des pressions parfait entre les différents alvéoles du noyau 4 en nid d'abeilles et vis-à-vis de l'environnement. L'élément de construction-sandwich selon la figure 3 o les éléments correspondant au premier exemple de réalisation sont désignés par le même chiffre de référence, mais augmenté de 100, se distingue de ce dernier par le 25450 f 7 fait que le noyau en nid d'abeilles 104 n'est pas constitué par des en- tretoises transversales et longitudinales 10, 12, mais par des pièces profi- les préfabriquées 122 placées debout et réalisées sous forme de tronçons tubulaires juxtaposes en matériau composite en fibres de carbone qui sont découpés sur un tube sans fin en matériau composite fibreux durci en différentes longueurs correspondant respectivement à la hauteur de l'endroit qu'ils doivent occuper dans la section transversale du noyau-support, qui sont munis de perforations 120 et sont ensuite mutuellement collés au niveau de leurs points de contact en assurant une fixation réciproque de façon a pouvoir épouser par simple étagement approrximativement le contour recherché de la surface du noyau 104 en nid d'abeilles Le matériau composite fibreux tubulaire ainsi constitué en un noyau 104 en nid d'abeilles dimensian- nellement stable est ensuite coupé sur les cotés à la cote finale exigée, amuni des entretoises marginales 110, 112, puis, après application et duru cissement des revatements 106, 108, façonné en un élément de construction- sandwich 102 à surface géométriquement incurvée qui est entièresent réalisé en matériau composite à fibres de carbone y compris le noyau 104 en nid d'abeilles La figure 4 dans laquelle les éléments de contruction correspondant aux premiers exemples de réalisation sont ici aussi désignés par le mÈme chiffre de référence, mais augmenté de 200, représente un noyau 204 en nid d'abeilles qui est également constitué par des tronçons tubulaires 222 et dans lequel le diamètre des tubes, partant des tronçons tubulaires médians représentés en coupe, va en diminuant vers Vextérieur, donc vers les zones de plus grande pente tangentielle du contour de la surface, si bien que les gradations de hauteur existant aux extrémités des tubes ne dépassent pas une grandeur prédéterminée et sont compensées par la couche de revêtement 206 sans qu'en soit affecté le contour convexe dans ce cas de la surface de l'élément de construction 202 Dans les zones de plus grande pente tangentielle du contour de la surface, il est aussi possible, au choix ou en plus, de découper obliquement en conséquence les tronçons tubulaires 222 sur le tube profilé sans fin pour obtenir une adaptation encore plus finement étagée au contour de la surface. En cas d'exigences encore plus sévères imposées à l'exactitude des surfaces de l'élément de construction, les revêtements ne sont plus appliqués librement, mais à l'aide d'un moule négatif 224 représenté sur la figure 4 pour le revêtement 206. On dépose le stratifié constituant le recouvrement sur le moule négatif, après quoi on enfonce le noyau préfabriqué 204 en nid d'abeilles constitué par les tronçons tubulaires 222 mutuellement collés dans le stratifié que l'on durcit ensuite à l'autoclave sous pression et avec apport thermique. Pour respecter les températures et les temps de durcissement nécessaires pour des raisons de résistance et exclure les écarts de dilatation thermique entre l'élément de construction-sandwich 202 en matériau composite fibreux et le moule négatif 224, ce dernier est lui-même fabriqué de la même façon et dans le même matériau composite fibreux que l'élément de construction-sandwich 202 qu'il doit servir à fabriquer. Pour la fabrication d'un tel moule-sandwich à partir duquel on pourra façonner ensuite par exemple les éléments de construction 2 et 102, on se réfèrera à nouveau à la figure 4 dans laquelle l'élément de construction 202 représente maintenant le moule-sandwich à fabriquer, tandis que la partie 224 du moule qui, en ce qui concerne le contour de sa surface constitue un prémodèle des éléments de construction à fabriquer avec le moule-sandwich, est réalisée en un matériau métallique ou céramique. A l'inverse du durcissement à chaud décrit ci-dessus, le moule-sandwich 202 constitué par les stratifiés des revêtements 206, 208 tout d'abord non encore durcis et par le noyau 204 en nid d'abeilles préfabriqué en éléments composites fibreux 222 durcis est façonné à froid à la température ambiante sur la partie 224 du moule, puis recuit à une température modérée, par exemple 400, ce qui confère au moule-sandwich un contour de surface extrêmement précis et exempt de distorsions thermiques ainsi que la résistance à la chaleur nécessaire pour son utilisation ultérieure lors du durcissement à chaud des éléments de construction 2 ou 102 qu'il doit servir à fabriquer Si la partie 224 du moule est en céramique et présente un coefficient de dilatation thermique à peu près équivalent à celui du matériau composite en fibres de carbone, le moulesandwich 202 peut aussi être durci sur la partie 224 du moule à la température de durcissement normale (environ ) mais avec un cycle de durcissement sensiblement ralenti pour éviter les contraintes thermiques inadmissibles lors du chauffage de la partie céramique 224 -. Dans les deux cas, donc aussi bien dans le cas d'un recuit que dans le cas d'un durcissement à chaud ralenti, la stabilité mécanique et thermique du moule-sandwich 202 ainsi fabriqué est suffisante pour permettre de s'en servir comme outil pour fabriquer sans problème dans l'autoclave tout en respectant les températures et les cycles de durcissement usuels, les éléments de construction-sandwich en matériau composite fibreux qui viennent d'gtre décrits et qui sont soumis à des exigences très sévères en ce qui concerne leur résistance et leur exactitude dimensionnelle. REVENDICATIONS 1 Elément de construction-sandwich en matériau composite fibreux à surface incurvée, comprenant des revêtements supérieur et inférieur et un noyau-support en nid d'abeilles collé entre ceux-ci, caractérisé par le fait que le noyau-support ( 4) se compose d'entretoises planes ( 10, 12) s'emboîtant mutuellement en forme de croix et respectivement préfabriquées à partir d'une pièce découpée conformément au contour de la surface de l'élément de construction et réalisée dans le même matériau composite fibreux que les rev 8 tements ( 6, 8). 2 Elément de construction-sandwich en matériau composite fibreux selon la revendication 1, caractérisé par le fait que las entretoises ( 10, 12) sont découpées dans une plaque en matériau composite fibreux durci avec fibres à orientation multidirectionnelle disposées obliquement par rapport au sens longitudinal des entretoises, sont respectivement fendues en sens contraire en leurs points d'intersection et s'embo tent les unes dans les antres en formant des liaisons par enfourchement réciproque. 3 Elément de construction-sandiîch en matériau composite fibreux à surface incurvée, comprenant des revêtements inférieur et supérieur et un noyau-support en nid d'abeilles collé entre ceux-ci, caractérisé par le fait que le noyau-support ( 104) est constitué par des pièces profilées ( 122) placées debout et préfabriquées dans le même matériau composite fibreux que les revêtements ( 106, 108), ces pièces profilées ayant des longueurs différentes conformément au contour de la surface de l'élément de cons- truction ( 102) et étant disposées les unes à coté des autres et mutuellement raccordéeso 4 Elément de contruction-sandwich en matériau composite fibreux selon la revendication 3, caractérisé par le fait que comme pièces profilées ( 122) on prévoit des tronçons tubulaires ( 222). Elément de construction-sandwich en matériau composite fibreux selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que les pièces profilées ( 122, 222) ont une section transversale allant en diminuant au fur et à mesure qu'augmente la pente du contour de la surface de l'élément de construction ( 102, 202) (figure 4). 6 Elément de construction-sandwich en matériau composite fibreux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les entretoises ( 10, 12) ou les pièces profilées ( 122 222) sont mutuellement collées au niveau de leur point d'intersection ou de contact en plus et avant leur collage sur les revêtements ( 6, 8). 7 Elément de construetion-sandwich en matériau composite fibreux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les entretoises ( 10, 12) ou les pièces profilées ( 122, 222) et les reve- ternants ( 6, 8) sont réalisés en matériau composite en fibres de carbone. 8 Elément de construction-sandwich en matériau composite fibreux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les entretoises ( 10, 12) ou les pièces profilées ( 122, 222) à l'état assemblé sont collées sur le stratifié du rev'temeant placé sur un moule négatif ( 224) de l'élément de construction ( 2). 9 Elément de construction-sandwich en matériau composite fibreux selon lune quelconque des revendications précédentes, caractérise par le fait que les entretoises ( 10, 12) ou les pièces profilées ( 122, 222) pour la désaération du noyau-support avant l'assemblage sont munies de perforations ( 20, 120, 220). -