Brevet FR2536335A1 — publié le 19840525

Tes éléments de construction légers du type composite dit sandwich sont caractérisés par le fait qu'une âme faisant ffice de support faite d'un matériau léger, qui, selon V état actuel de la technique, est de préférence un cluent à base de bois ou d'un matériau cellulaire de Poids spécifique relativement réduit et accusant des propriétés mécaniques de valeur moyenne, est comprise entre des couches de revêtement y appliquées par collage et se composant de matériaux hautement résistants, c'est-àdire de matériaux dont la résistance mécanique est égale à au moins 10 fois, de préférence 100 fois, celle du matériau de liâme, de manière à conférer à l'ensemble ainsi obtenu un rapport optimal entre sa rigidité ou sa résistance mécanique, d'une part, et son poids, d'autre part. Ces couches de revêtement peuvent être des plaques métalliques à propriétés mécaniques isotropes, c'est-à- dire indépendantes de la direction, tout comme les matériaux de construction qui en dérivent, ou bien des couches de matières plastiques armées de fibres et, de ce fait, à propriétés mécaniques anisotropes, c'est-à- dire variable en fonction de la direction, tout comme les matériaux de construction qui en dérivent. Ces âmes ou noyaux de matériaux sandwich servent à espacer lesdites couches de revêtement munies de résistance mécanique et d'autres propriétés par absorption des contraintes de compression et/ou de cisaillement agissant au niveau des zones de liaison par collage. f 6 f 35 Afin de répondre aux exigences sévères imposées aux éléments de construction concernés quant à leur poids et leurs pro- priétés mécaniques, s'emploient, conformément aux progrès récents de la technologie dans le domaine concerné, des âmes ou noyaux dits "à nids d'abeilles", composés de minces feuil- les auxquelles est conférée une structure alvéolaire au moyen d'adhésifs, comportant une multitude de cellules hexagonales accusant un arrangement géométrique régulier Les éléments de construction ainsi obtenus s'emploient dans la construction 2 aéronauti ue ou cosmonautique comme panneaux de fuselage, éléments d Uailes, plans de stabilisation, éléments de paroi de cabines de groupes moteurs, portes, cloisons, panneaux d'écoutille panneaux de sol, éléments d'aménagement intérieur, etc, ainsi que dans la construction d'équipements de skiage comme âmes de skis On connaît ainsi un ski, décrit dans le brevet AT-PS 215 868, qui se compose d'une âme alvéolaire, faite d'un métal approprié, tel que du métal léger, ou d'une matière plastiue appropriée, telle que surtout une résine polyester, et maintenue entre une courroie supérieure et une courroie inférieure. Ces constructions alvéolaires présentent toutefois le double inconvénient, d'une part, d'exiger une déformation assez pré- cise des feuilles individuelles et, d'autre part, d'une fai- ble résistance mécanique en direction perpendiculaire aux cel- lules. Un autre inconvénient desdites constructions alvéolaires con- siste en leur prix élevé dû à leur fabrication difficile et laborieuse S'y ajoute leur mauvaise élasticité, qui se fait sentir surtout dans ladirection normale au plan d'appui lors de la mise en oeuvre des matériaux concernés en guise d'âmes ou de noyaux dans la manufacture d'éléments de construction sandwich. Les âmes ou noyaux alvéolaires susmentionnés sont, grâce à la configuration de base hexagonale des cellules ou alvéoles in- dividuelles, de nature quasi isotrope et se laissent fabri- quer avec un poids spécifique allant jusqu'à 40 g/m 3. Or, la présente invention se rapporte aux systèmes alvéolai- res de haute qualité du genre susmentionné, dont elle vise à supprimer les inconvénients signalés précédemment, tout en perfectionnant leur procédé de fabrication en vue d'une ré- duction sensible de leur prix de revient grâce à une auto- matisation plus simple et plus poussée, et d'une augmenta- tion sensible de qualité permettant une meilleure exploita- tion de leurs propriétés anisotropes dans leurs multiples applications. L'invention prévoit à cet effet qu'une âme ou noyau de poids réduit entrant dans la composition de matériaux de construc- tion sandwich s'obtient par superposition de feuilles ondu- lées séparées par des feuilles de support intercalaires et rappelant les couches de carton ondulé employées dans l'in- dustrie des matériaux d'emballage Les axes des creux ainsi formés sont perpendiculaires aux parois du noyau destinées à être revêtues par collage d'une couche résistante, tout cela de manière que l'ensemble des couches de papier ondulé peut, en position verticale, contrairement aux matériaux d'embal- lage du même genre, être sollicité par compression. La fabrication de matériaux composites composés de feuilles ondulées séparées par des feuilles intercalaires non ondulées est connue dans l'industrie des matériaux d'emballage Il s'agit par exemple de carton ondulé Or, dans, l'industrie des matériaux d'emballage, la mise en oeuvre des matériaux d'em- ballage s'effectue de manière que le plan tangent à la struc- ture ondulée s'applique à la marchandise emballéee de manière à réduire ou absorber grâce à sa souplesse les coups auxquels est exposée la marchandise lors de sa manutention On connaît ainsi des procédés économiques pour la fabrication ininter- rompue de matériaux d'emballage composites. Or, contrairement aux matériaux composites de l'industrie d'emballage, les matériaux composites selon la présente in- vention, composés de feuilles ondulées et de feuilles inter- calaires planes, peuvent être sollicités par des forces pa- rallèles aux axes longitudinaux des creux, de sorte que l'en- semble des couches peut, en position verticale, être solli- cité par compression. Les ensembles de couches selon l'invention pourront être réu- nis en paquets de forme quelconque, tels que, par exemple, des plaques faisant office de noyaux de support dont l'épais- seur est un multiple de celle du noyau de support élémentai- re, des sections de noyaux de support profilés en U, qui, après leur imprégnation et durcissement, peuvent être découd Dés en des tranches d'épaisseur voulue, etc. -15 Grâce à l'élasticité de la structure ondulée en direction normale au plan tangent aux ondes et à la fixation impeccable d'éléments de construction légers aux faces latérales par collage, s'obtient une application uniformément répartie des charges de compression, impossible à réaliser sur les struc- tures alvéolaires avec des matières dites à expansion, qui sont des résines synthétiques, tels qu'en particulier des ré- sines époxy qui, par expansion sous l'influence de la chaleur, prennent un volume qui est un multiple du volume initial. Cette flexibilité peut être influencée par variation de la position réciproque des couches ondulées élémentaires et par variation du rapport entre la largeur libre et celle incor- porée dans l'élément de construction léger. Lesdites feuilles intercalaires non ondulées contribuent à améliorer la stabilité du noyau de support à l'état de semi- produit, ainsi que le comportement anisotrope du produit fini à l'état collé, accusant une grande rigidité et une excellen- te résistance mécanique dans les directions parallèles au plan des feuilles non ondulées. Le matériau d'âme accuse une excellente flexibilité dans le plan normal aux feuilles situées dans son plan, ce qui per- 2 $ r 7 63 O fflc la formation d'enveloppes cylindriques sandwich de forme géométrique impeccable lorsque les feuilles non ondulées sont, dans ensemble, orientées suivant l'axe du cylindre. augtres caractéristiques de 12 iwvention ressortiront de la description détaillée suivante de plusieurs modes de mise en oeuvre, donnée avec référence aux dessins annexés, o la figure 1 représente en coupe transversale un noyau de construction léger selon un mode d'exécution du sys- tème selon l'invention; la figure 2 représente en coupe transversale une des cou- ches élémentaires du noyau de construction léger ses lon la figure 1; i 5 la figure 3 représente en coupe transversale un mode d'exécution d'une couche terminale du paquet de couches selon la figure 1; la figure 4 représente un exemple d'application du noyau de construction léger selon l'invention sous forme de ski; et les figures 5 et 6 représentent deux autres exemples d'application. Le noyau de construction léger selon le mode de mise en oeuvre de l'invention représenté par la figure 1 des dessins annexés se compose d'un paquet de couches selon la figure 2, dont cha- cune se compose d'une feuille ondulée 1 et d'une feuille de support 2, à laquelle est collée la feuille ondulée par ses sommets ou ses creux La feuille ondulée 1 et la feuille de support non ondulée 2 de chaque couche élémentaire du paquet de couches sont des feuilles d'une matière appropriée quelcon- que, telle que du papier, une matière plastique ou un métal. C'est surtout le papier qui, en l'occurrence, s'est montré particulièrement efficace à condition d'être dûuent imprégné. Il s'agit en premier lieu de papier d'aramide (polyamide aro- matique), qui se distingue par une excellente résistance à l'influence permanente de la chaleur, un excellent caractère hydrofuge et de bonnes propriétés diélectriques et mécaniques, parmi lesquelles surtout une grande résistance à la déchirure et un faible poids spécifique. La feuille ondulée 1 est fixée à la feuille de support 2 par collage au moyen d'un adhésif approprié tel qu'essentielle- ment une résine époxy ou une résine phénolique Les résines époly conviennent surtout aux cas exigeant une grande résis- tance mécanique et une excellente aptitude à la mise en oeuvre par défonrmation, par exemple dans la construction navale, tan- dis que les résines phénoliques s'emploient de préférence dans les cas o U sont, en outre, de vigueur des prescriptions de protection contre le feu, par exemple dans la construction aéronautique Ces éléments sont imprégnés d'un adhésif à base de résine, collés ensemble sous fornme d'un paquet de couches (figure 1), emprisonné ensuite entre des plaques 3, de préférence des plaques d'une résine phénolique o L'adhésif est ensuite durci sous l'influence de la chaleur dans une chambre à air chaud. Les couches (figure 2) sont superposées de préférence avec leur feuille de support située en haut, ce qui présente l'avantage que l'adhésif s'écoule vers le bas le long des flancs d'onde et s'accumule dans les coins formés par les creux d'onde, de manière à assurer une liaison solide et du- rable entre la feuille ondulée 1 de chacune des couches et la feuille de support plane 2 de la couche sous-jacente. En ce qui concerne l'emploi de papier ordinaire, c'est sur- tout le papier calandré imprégné qui donne d'excellents résul- tats dans la pratique, bien que, pour ne pas trop charger le prix de revient, ce papier s'emploie uniquement pour les feuilles ondulées et est remplacé, pour les feuilles de support 2, par exemple, par un papier non calandré moins cher. Les couches élémentaires sont de préférence disposées avec un décalage a entre les ondes de deux couches successives, égale à un demi-module ou quart de longueur d'onde, c'est- à-dire à la demi-distance entre un sommet d'onde et le creux 2536335- d'onde voisin, de manière à conférer à l'ensemble une cer- taine élasticité dans la direction indiquée par les flèches A Il s'agit d'une caractéristique particulièrement intéres- sante du système selon l'invention, par laquelle l'élasticité peut être réglée-aux choix par simple variation du décalage a entre O et 2 a, à savoir entre zéro et un module déterminé. Comme première ou dernière couche du paquet selon la figure 1 peut s'employer une feuille ondulée recouverte, de part et d'autre, d'une feuille de support comme le montre la figure 3, de manière que chacune des deux plaques extérieures 3 est sé- parée par une feuille de support 2 de la feuille ondulée adja- cente 1 Inutile de souligner que dans tous les cas s'emploie de préférence une feuille plane comme feuille de support 2. Le noyau de construction léger selon l'invention convient ain- si à toutes les applications industrielles exigeant une mise à profit maximale des matériaux mis en oeuvre pour un poids propre réduit au minimum C'est ainsi, par exemple, que, pour la construction de skis, le noyau selon l'invention présente, en outre, l'avantage de se prêter à une excellente adaptation au format du ski grâce à son élasticité dûment oriéntée dans la direction indiquée par les flèches A. Le noyau de construction léger selon l'invention est, en vue de la fabrication de skis, surtout de skis de fond, exécuté sous forme de plaque ou bloc de largeur égale à celle du ski, ce qui signifie que la largeur b du noyau correspond à la largeur b' du ski La longueur 1 des plaques ou blocs corres- pond à peu près à la plus grande longueur Il du ski à réali- ser La hauteur des plaques ou blocs peut être quelconque, de manière à permettre leur débitage en tranches selon la forme du ski Pour le montage des skis, par exemple de skis à fond, les courroies de revêtement inférieur et supérieur et le noyau sont disposés avec entremise d'un adhésif à base de résine synthétique dans une forme, o ils sont collés ensemble sous l'influence combinée de la chaleur et de la pression Comme la forme est adaptée à la taille du ski, qui, vu d'en haut, 2536335- présente à l'origine une forme à parois latérales constituées par les plaques 3, s'adapte, grâce à l'élasticité dont il jouit dans la direction indiquée par les flèches A, à la taille voulue du ski délimité latéralement par lesdites plaques 3. Il va sans dire que l'invention ne se limite pas à l'exemple d'exécution décrit précédemment mais en prévoit de nombreuses modifications, additions et adaptations d'ordre constructif, évidemment soumises à la condition de ne point dépasser son cadre Ainsi, par exemple, le support et/ou la feuille ondulée pourra, le cas échéant, se présenter sous forme d'une pièce de matière textile ou d'une feuille métallique. Enfin, les ondes de la feuille ondulée pourront avoir un pro- fil polygonal, rond, ovale ou autre ou se composer de segments de forme quelconque Ainsi, par exemple, les ondes pourront, en coupe transversale, se présenter sous forme d'une succes- sion de triangles, de carrés ou d'autres figures polygonales. Le système selon l'invention comportant le montage de paquets de feuilles ondulées séparées par des feuilles de support intercalaires, se prête àla réalisation d'ensembles de forme géométrique quelconque. Si 5 La noyau précédemment décrit est un corps en forme de plaque, mais il est également possible de réaliser par exemple des corps annulaires, des corps à projection plane spiralée (figu- re 5) ou des corps profilés en U (figure 6). Les paquets de couches selon l'invention, destinés à la forma- tion de noyaux légers, peuvent avoir à l'origine une hauteur multiple de celle des noyaux incorporés et sont, après leur fabrication, découpés en pièces de dimensions appropriées ayant la hauteur voulue par découpage à l'aide de couteaux mécaniques, de rayons laser ou de couteaux à jet d'eau. ses paquets de couches fabriqués de la manière précédemment Récrite peuvent s'obtenir par superposition de feuilles in= tercalaires dressées et de feuilles ondulées accusant des hau- -_s d 9 onde différentes La variation de la hauteur d'onde fit varier la densité des feuilles dressées et exerce, en Lrtculier, une influence sur la résistance à la compression t sur la rigidité du noyau, sur l'adhésion des éléments de revêtement, qui augmente avec le nombre de feuilles dressées par unité de surface, et évidemment sur le poids spécifique JX du noyau. En ce qui concerne les feuilles imprégnées, le poids du moyen d'imprégnation présent dans les feuilles s'élève à 0,5-10, de preférence à 0, 8-4 fois le poids des feuilles Le poids spée cifique du noyau de construction léger selon l'invention peut être réglé à volonté selon les propriétés mécaniques désirées par un choix adéquat de la nature des feuilles et de la résine d'imprégnation, ainsi que du taux d'application de cette der= nière par unité de surface. Les feuilles ont un poids variant généralement de 40 à 300 g/m 2 Pour des raisons de sécurité, c'est-à-dire de protection con- tre le risque d'incendie, s'emploie de préférence du papier de fibres d'aramide imprégné d'une résine phénolique. Les feuilles sont imprégnées de résines époxy ou d'une laque à un composant pour améliorer leurs propriétés mécaniques (résistance à la compression) et adhésives et pour des rai- sons d'ordre économique. La flexibilité de l'ensemble de feuilles ondulées ét de feuil- les intercalaires dans la direction indiquée par les flèches A s'exprime par le rapport 2 a/b, dont la valeur décide l'ap- titude des éléments ondulés à la fabrication de noyau de con- struction ou d'autres éléments de construction légers. Les feuilles de support intercalaires et, en particulier, cel- 53635- les destinées à former les feuilles de support extérieures des éléments de construction fabriqués ultérieurement, sont des plaques de matière plastique compactes ayant pour fonc- tion de protéger la structure emprisonnée contre les influen- ces mécaniques ou climatiques venant de l'extérieur Elles se composent de matières plastiques légères et résistantes telles que, de préférence, les résines phénoliques ou l'ABS (Acrylo-Nitrile-Butadienne-Styrene). Les feuilles ondulées, réunies de manière connue par collage avec des feuilles de support, sont imprégnéees par immersion, pulvérisation ou enduction de mélanges résineux à deux compo- sants ou de laques, superposées en des récipients spéciaux concus è cet effet ou en des matrices appropriées et puis F durcies et/ou séchées par apport de chaleur, généralement avec de l'air chaud ou, le cas échéant, par conduction ther- mique ou chauffage HF dans des presses, et cela de manière que lis pregation des feuilles et la réunion par collage des couches individuelles s'effectuent simultanément Des courroies de support, par exemple en une matière plastigue à armature métallique ou fibreuse, peuvent être fixées sous pression et/ou à chaud, partiellement avec colla- ge simultanée de feuilles lamellées, aux faces latérales du noyau Il s'agit, par exemple, de skis à fond, de skis de saut ou autres. Le rapport entre la largeur du noyau libre et celle du noyau incorporé décide de la pression à exercer sur les couches la- mellées dans la presse. Le noyau de construction léger selon l'invention s'emploie également de préférence dans les domaines o il s'impose pour ses excellentes propriétés de thermo-isolation, tels que la construction de sols ou de parois particulièrement résistants de conteneurs frigorifiques ou de façades de bâtiments dans les régions chaudes du monde Grâce à leur rapport rigidité/ poids extrêmement favorable, ils sont également appelés à il 2536 35 rendre d'excellents services dans la construction des con- teneurs de transport dans la construction navale, aéronauti- que ou automobile, ainsi que dans l'aménagement (sols, re- vêtements de parois ou de plafonds, etc) de toutes sortes de moyens de transport. Les éléments de construction selon l'invention peuvent avoir des parties courbes, représentant des parties d'enveloppes ou de parois cylindriques servant au revêtement de parties de véhicules, à la réduction de la résistance aérodynanique, etc et être partiellement munis de trous dans leur surface en guise de mesure d'insonorisation supplémentaire. Revendications. 1. Noyau de construction léger à structure cellulaire, dont les cellules traversent le noyau de part et d'autre et les axes longitudinaux des cellules sont perpendiculaires aux surfaces géométriques du noyau dans lesquelles se trouvent les extrémités des cellules, caractérisé en ce que le noyau de l'ensemble se présente sous forme d'un paquet de couches formé par superposition de feuilles ondulées alternant avec des feuilles de support, feuilles ondulées qui, aux niveaux des sommets et creux d'onde, sont fixées aux feuilles de sup- port sous-jacentes, ledit paquet de couches étant, dans la pratique, constamment sollicité par compression. 2 Noyau de construction léger selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que l'ensemble de feuilles ondulées et de feuilles de support intercalaires se présente sous forme de plaque faisant office de noyau de support. 2-0 3 Noyau de construction léger selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ledit paquet de couches se compose au moins partiellement d'un matériau papier imprégné. 4 Noyau de construction léger selon la revendication 1, ca- 2.5 ractérisé en ce que les feuilles ont un poids de 40 à 300 g par mètre carré. 5. Moyau de construction léger selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le composant d'imprégnation présent dans -30 la masse a un poids égal à 0,5 à 10 fois celui des feuilles. 6. Noyau de construction léger selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ledit paquet de couches sa compose au moins partiellement de papier de fibres d'aramide imprégné d'une masse de résine phénolique. 7. Noyau de construction léger selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les ondes des couches successives sont 13 2 $ 33 Mutuellement décaléeso. 8 O. Noyau de construction léger selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les feuilles de support destinées à for- mer ultérieurement les couches extérieures de l'élément de construction sandwich dont le noyau fait office d'âme, se composent de plaques de matière plastique compactes. 9. Noyau de construction léger selon la revendication 1, ca- l O ractérisé en ce que les cellules sont remplies, au moins sur une partie de la profondeur et localement, d'une masse cloua- bleo 1 o Noyau de construction léger selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il est destiné à former l'âme d'un ski et en ce que ses faces supérieure et inférieure sont, à cet effet, revêtues de bandes ou courroies y collées à l'aide d'éléments lamellés fixés latéralement à l'âme.