Brevet FR2576548A1 — publié le 19860801

Procédés pour fabriquer des substrats de miroirs en béton de résine et miroirs correspondants. La présente invention a pour objet des procédés pour fabri- quer des substrats de miroir en béton de résine et les miroirs obte- nus par ces procédés. Le secteur technique de l'invention est celui de la fabri- cation de miroirs. Traditionnellement, les miroirs sont fabriqués à partir d'un bloc de verre dont une face est usinée et polie avec une très grande précision suivant une surface géométrique déterminée qui peut être plane, sphérique, parabolique ou toute autre forme géomé- trique convexe ou concave. La qualité des images dépend des écarts entre la surface réfléchissante réelle et une surface géométrique théorique. Un miroir astronomique dit de qualité 1/10 doit présen- ter une face réfléchissante dont les écarts par rapport à la surface géométrique théorique sont en tout point inférieurs au dizième de la longueur d'onde moyenne des radiations visibles à réfléchir. Les travaux de fabrication et de polissage d'un miroir traditionnel de qualité A/10 en verre de 0,5 m de diamètre, durent environ un mois et demi et le coût d'un tel miroir est compris entre 50.000 et 100.000 Francs. La fabrication d'un miroir astronomique traditionnel de qualité A/10 ayant un diamètre de 1,50 m, durent environ six mois et le coût est compris entre 800.000 Francs et 1,6 million de francs. Pour réduire les coûts et les durées de fabrication, on a cherché à fabriquer des miroirs par des procédés dits de réplication de surface consistant à réaliser un moule en verre dont une face est polie avec une très grande précision suivant une surface conju- guée ou complémentaire de la face réfléchissante à réaliser et à couler dans ce moule une couche de résine polymérisable dont la face placée au contact de la face polie du moule est parfaitement lisse et reproduit l'empreinte de celle-ci. La face externe de la couche de résine est ensuite recou- verte d'une couche réfléchissante. La couche réfléchissante peut être déposée sur la face polie du moule avant que l'on applique sur celui-ci la couche de résine suivant la technique décrite dans le brevet FR. 1.187.363 (F. SCHWARTZ-KIN0). Cette technique dite de réplication de surface permet d'utiliser un même moule un très grand nombre de fois pour fabri- quer des séries de miroirs identiques, mais il faut éviter que la face polie du moule ne soit déformée ou rayée. De plus, pour fabriquer des miroirs de grande ouverture de qualité astronomique par cette technique, il faut que la couche de résine soit supportée par un substrat rigide et indéformable et il faut que la fabrication de ce substrat n'entraîne pas des frais élevés afin que le coût de fabrication des miroirs soit moins éle- vé que celui des miroirs traditionnels. L'objectif de la présente invention est de procurer des moyens permettant de fabriquer des miroirs de qualité astronomique ou d'autres surfaces géométriques aussi précises, notamment des sé- ries de miroirs identiques, à partir d'un même moule ayant une sur- face polie qui est une surface conjuguée de la face réfléchissante des miroirs dont on prend une empreinte en résine polymérisable, en associant cette empreinte à un substrat rigide et indéformable qui peut être luimême coulé dans un moule et qui présente une très bonne adhérence avec la couche de résine qui constitue la face géométrique réfléchissante du miroir. Cet objectif est atteint au moyen d'un procédé pour fa- briquer un substrat de miroir qui comporte la suite d'opérations suivantes: - on fabrique un moule dont le fond a une face supérieure polie, complémentaire de la face réfléchissante à réaliser; - on enduit ladite face polie d'une pellicule d'un produit anti-adhésif destiné à faciliter le démoulage; - on dépose sur ladite pellicule une couche dure mince et uniforme; - on coule dans ledit moule un béton de résine formant un substrat; - on laisse durcir et on démoule ledit substrat. Une fois le substrat en béton de résine fabriqué, on fa- brique un miroir de qualité astronomique par un procédé de réplica- tion de surface consistant à compléter le substrat par une couche de résine qui est disposée au contact de la face externe du substrat, c'està-dire de la face qui était en contact avec la face polie du fond du moule et on dépose sur cette couche de résine une pellicule réfléchissante. Selon un mode de réalisation préférentiel, la phase de réplication de surface comporte les opérations suivantes: - on fabrique d'abord un substrat en béton de résine; - on fabrique un moule ayant une face polie complémentaire de la face réfléchissante du miroir à réaliser; - on enduit ladite face polie d'une pellicule d'un produit anti-adhésif destiné à faciliter le démoulage; - on dépose sur ladite pellicule une couche-de résine polymérisable liquide; - on applique sur ladite couche de résine, avant qu'elle ne soit solidifiée, la face dudit substrat en béton de résine qui était en contact avec ladite couche dure; - on laisse durcir la résine; - on démoule; - et on applique sur la face externe de ladite couche de ré- sine, une pellicule réfléchissante. Selon une caractéristique de l'invention, la répartition granulométrique des agrégats du béton de résine servant à fabriquer le substrat est la suivante: - une moitié environ du poids des agrégats est composée d'agrégats de la classe granulométrique supérieure dont la limite supérieure est définie par une largeurde maille qui est de l'ordre du dizième de la plus faible dimension du miroir à réaliser et dont la limite inférieure est définie par une largeur de maille égale à la moitié de la limite supérieure; - l'autre moitié du poids des agrégats est composée d'a- grégats qui se répartissent dans une dizaine de classes granulomé- triques dont les limites supérieure et inférieure sont définie par des dimensions de mailles suivant une progression géométrique de rai- /Y. son deux etla proportion pondérale d'agrégats/exprimee en pourcentage du poids total d'agrégats, qui passe à travers un tamis ayant une ouverture de maille d varie suivant une loi de laforme y = kmVIdans laquelle k est un coefficient constant et m une constante comprise entre 3 et 6. L'invention a pour résultat de nouveaux substrats de mi- roirs en béton de résine et des miroirs de qualité astronomique comportant ces substrats. Les procédés selon l'invention permettent de fabriquer - des miroirs de qualité astronomique de grande ouverture dans un temps beaucoup plus court et pour un prix nettement inférieur à celui des miroirs traditionnels en verre. Ils permettent de réaliser des séries de miroirs iden- tiques à partir d'un même moule. Les essais réalisés ont montré que les miroirs obtenus par les procédés selon l'invention ont des défauts locaux de très faible amplitude ayant des profondeurs comprise entre 0,1 nr et 10 nm, sur des plages de quelques millimètres, ce qui donne une tache de diffusion de l'image d'un point source situé à l'infini ayant une ouverture de l'ordre de 1 seconde. Des mesures ont été effectuées sur un miroir plan réalisé par un procédé selon l'invention ayant une ouverture de 300 mm. Ces mesures ont montré que la surface réfléchissante de ce miroir res- tait comprise entre deux plans dont la distance est inférieure à 1/10. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, plusieurs étapes successives de la fabrication d'une réplique de miroir par un pro- cédé selon l'invention. La figure 1 est une coupe axiale montrant l'étape de fabrication du substrat en béton de résine d'un miroir concave. La figure 2 est une coupe axiale montrant l'étape de fabrication de la couche superficielle par réplication de surface. La figure 3 est une coupe axiale d'un miroir obtenu par un procédé selon l'invention. La figure 4 est un graphique représentant la courbe de répartition granulométrique des agrégats du béton de résine utilisé pour fabriquer un substrat de miroir-selon l'invention. La figure 1 représente un moule I destiné à fabriquer plusieurs substrats de miroirs-concavesidentiques, de qualité as- tronomique dite %/10. Le fond du moule 2 comporte une face supérieure 3 qui est une réplique géométrique très précise dite conjuguée ou complé- mentaire de la surface réfléchissante du miroir. Si les miroirs à fabriquer sont concaves, la face supérieure du moule 1 est convexe et inversement. Le fond du moule 2 est par exemple en verre et la face 3 est polie avec une grande précision suivant la technique tradition- nelle de fabrication des miroirs. Le procédé selon l'invention permet de fabriquer successi- vement plusieurs substrats de miroirs identiques de qualité astrono- mique en utilisant le même fond de moule 2. La face 3 du moule est d'abord enduite uniformément d'une pellicule 4 d'un produit anti-adhésif qui facilite le démou- lage. Le produit anti-adhésif est par exemple une couche de sili- cone liquide ou de tout autre huile,par exemple du squalane,ayant les mêmes propriétés adhésives. Ce peut être également une couche de poudre de polytétrafluoréthylène (téflon). Dans le cas d'un moule 2 en verre, ce peut être une pellicule d'or. La couche 4 est une pellicule très fine, d'épaisseur constante, qui épouse exactement la forme géométrique de la sur- face 3. Sur la pellicule 4, on dépose une couche de protection uni- forme dure et pelable 5 qui est destinée à éviter l'abrasion de la pellicule de démoulage 4 et de la surface géométrique 3 pendant les opérations de mise en place et de vibration du substrat. La cou- che 5 est par exemple une couche de résine polymérisable qui est coulée à l'état liquide avant polymérisation ou à l'état dissous dans un solvant par exemple une couche de polyvinyle, de polyester, d'ester d'acide téréphtalique éthylène glycol (mylar) etc.... La couche 5 peut être constituée par un film en matière plastique qui est tendu sur la pellicule 4. La couche 5 a une certaine épaisseur, de sorte que la face supérieure de la couche 5 ne reproduit pas exactement la forme géométrique précise de la face 3. Au-dessus de la couche de protec- tion 5, on coule un substrat 6 en béton de résine composé d'agré- gats enrobés dans une résine polymérisable. La résine choisie est, de préférence, assez fluide avant polymérisation et elle a un faible coefficient de retrait pendant le durcissement, par exemple une ré- sine époxy ou polyester. La proportion de résine utilisée pour la fabrication du substrat 6 est telle que la résine remplisse tous les vides entre les grains d'agrégats du béton de résine. Les agrégats utilisés pour la fabrication du béton de ré- sine peuvent être des agrégats minéraux concassés (quarts, granit, calcaire etc...), du verre concassé, de la céramique concassée, des grains métalliques etc.... La nature des granulats est choisie en fonction des appli- cations. On utilise, de préférence, des matériaux ayant un faible coefficient de dilatation, une faible densité et un bon coefficient de conduction thermique. Avantageusement, on peut incorporer dans le béton de résine des armatures en fibres telles que des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres organiques ou synthétiques pour améliorer la résistance mécanique à la traction. Les agrégats peuvent être constitués par des billes creuses, par exemple des billes de verre creuses, de différentes grosseurs. Les substrats 6 peuvent être allégés par des cavités. De même, on peut ménager pendant le moulage, dans la masse du substrat 6, des canaux dans lesquels on pourra faire circuler un liquide per- mettant de maintenir la température du substrat constante pendant l'utilisation du miroir. La fabrication du substrat 6 par moulage en béton de résine permet de réserver facilement dans le substrat des cavités ou des canaux. On connaît des colles-ciment qui sont des liants mixtes composés en partie de résine et en partie de ciment. Pour confectionner les substrats 6 selon l'invention, on peut remplacer la résine par un tel liant mixte à base de résine et de ciment. La répartition granulométrique des agrégats composant le béton de résine doit être choisie de telle façon que le mélange, après vibration, ait la plus grande densité apparente possible, afin que la proportion de vide entre les grains d'agrégats soit la plus réduite possible. Ce résultat est obtenu en choisissant une répartition granulométrique des agrégats qui est fonction de la nature de ces agrégats et du type de concassage de ceux-ci. Selon une caractéristique de l'invention, cette répartition suit une loi qui est exposée ci- après. Les agrégats sont répartis dans des classes granulométriques qui sont définies par les dimensions des mailles d'une série de tamis qui croissent suivant une progression géométrique de raison 2, c'est-à-dire que chaque classe de granulométrie correspond aux grains qui passent à travers un tamis dont les -mailles ont une dimension d et qui sont retenus sur le tamis suivant dont les mailles ont une dimension d/2. On choisit d'abord la classe supérieure qui comprend des grains dont les dimensions sont inférieures à une valeur D et supé- rieure à D/2, D étant approximativement égal au dixième de la plus petite dimension des substrats 6 à fabriquer, qui est en général l'épaisseur. Ainsi pour un miroir de 300 mm de diamètre, dont l'épais- seur minima est de l'ordre de 40 mm, on choisit des granulats dont les plus gros grains passent à travers un tamis dont les mailles ont une largeur de 4 mm. On choisit des granulats dont la moitié en- viron des grains sont compris dans la classe supérieure, c'est-à- dire entre D et D/2. L'autre moitié des agrégats est répartie dans environ 10 classes de granulométrie inférieures suivant une loi de répartition logarithmique. Soit y la proportion d'agrégats exprimée en pourcentage du poids total d'agrégats comprise dans une classe de granulométrie. Soit d la largeur de maille qui constitue la limite supérieure d'une classe de granulométrie qui est composée d'agrégats qui passent au tamis ayant une largeur de maille d et qui sont d retenus sur le tamis ayant une largeur de maille É. On choisit la proportion y d'agrégats passant à travers les mailles d'un tamis de dimension d, suivant une loi de répartition i logarithmique de la forme log y = l log d ou y= km r7, m étant une constante qui dépend de la nature des matériaux et du type de concassage et qui est comprise entre 3 et 6. La figure 4 représente un exemple chiffré de courbe de répartition granulométrique d'agrégats minéraux concassés destinés à fabriquer des substrats de miroirs ayant une épaisseur minima de 40 m/m. Dans cet exemple, les plus gros grains du granulat passent à travers un tamis dont l'ouverture est égale à 4 mm. Le coefficient m est égal à 4,5. Soit d l'ouverture de la maille qui définit la limite supérieure de chaque classe, la figure 4 représente en abscisses, sur la ligne inférieure, les valeurs de d en m/m et sur la ligne m, supérieure, les valeurs correspondantes de mV pour m = 4,5. La courbe 4 représente en ordonnées la proportion pondérale d'a- grégats dans chaque classe et la proportion cumulée d'agrégats y inférieurs à une dimension d. La courbe granulométrique se compose de deux tronçons de droite. Un premier tronçon CI relie le point y = 50 % d = m1 au point y = 100 % d = mVf. Les ouvertures des mailles qui définissent la limite supé- rieure de chaque classe décroissent suivant la progression géométrique i de raison 1 ci-après: 4, 2, I, 0,5, 0,25; 0,125; 0,06; 0,03; 0,015; 0;006 et 0,003. Les proportions pondérales d'agrégats dans chaque clas- se correspondent aux points situés sur un deuxième tronçon de droite C2 reliant le point 0,m/,003 au point 50 %mv. Dans cet exemple, les valeurs numériques théoriques des proportions dans chaque classe sont données dans le tableau ci- après - Proportion Classe granulométrique définie par les largeurs de maille;: % 2 à 4 mm 8% 1 à 2 mm 7 % 0,5 à 1 mm 7 % 0,25 à 0,5 mm 6 % 1,125 à 0,25 mm 6 % 0,06 à 0,125 mm % 0,03 à 0,06 mm- 4 % 0,015 à 0,03mm 4 % 0,006 à 0, 015 mm 3 % 0,003 à 0,006 mm. Bien entendu, la répartition granulométrique effective peut s'écarter légèrement, de l'ordre de 1 à 2 % des proportions théori- ques sans que le résultat final ne soit modifié sensiblement. Apres avoir dosé soigneusement les granulats en respectant sensiblement les proportions pondérales théoriques dans chaque classe, on mélange les agrégats et on incorpore au mélange une quantité de résine liquide qui est mesurée pour correspondre exactement ou avec un léger excés au volume de vide entre les grains. Ce volume est calculé à partir d'une comparaison entre la densité apparente du mélange et la densité réelle du matériau dont les agrégats sont composés. Apres avoir préparé le béton de résine, on le coule dans un moule 1 pour confectionner le substrat 6, on vibre par- exemple au moyen d'une table vibrante sur laquelle le moule 1 est posé et on laisse durcir. Après quoi on démoule facilement grâce à la couche 4 de produit démoulant qui facilite la séparation entre la couche 5 et le fond de moule 2 dont la surface géométrique 3 a été protégée pendant toute l'opération par la couche 5 de sorte que l'état de la surface polie 3 reste parfait et que le moule 2 peut être réutilisé un grand nombre de fois pour couler de nouveaux substrats. Après démoulage du substrat 6, on peut enlever de la sur- face 7 du substrat la couche de protection 5 soit en la pelant, soit au moyen d'un solvant. En variante, la couche de protection 5 peut être une couche de résine polymérisable qui est laissée en place à la surface du substrat. La figure 2 représente la deuxième phase du procédé au cours de laquelle on applique sur la surface 7 du substrat ou sur la couche 5 laissée en place, une couche de résine polymérisable par la technique connue de réplication de surface qui est la techni- que décrite par exemple dans le brevet FR. 1.187.363 (F. SCHWARTZ- KINO). Selon cette technique, on utilise un moule 8, qui est par exemple un moule en verre ou en tout autre matériau facile à polir, lequel moule comporte une surface 9 qui a une forme conjuguée ou complémentaire de la surface réfléchissante à obtenir. La surface 9 est polie selon la technique traditionnelle de fabrication de miroir astronomique. En variante, on peut utiliser le moule 2 à la place du moule 8 au cours de cette deuxième phase. On enduit uniformément la surface 9 du moule 8 d'une couche de démoulage 10. Après quoi, on applique sur la couche de démoulage 10 une couche mince 11 de résine polymérisable. Avant que cette résine n'ait durci, on applique sur elle le substrat 6 et on laisse durcir la couche de résine 11 qui épouse la forme de la surface 9. Après séchage, on démoule facilement grâce à la couche et on obtient un miroir représenté sur la figure 3 qui comporte un substrat 6 en béton de résine et une couche superficielle 11 en résine, dont la face externe présente une forme géométrique qui est conjuguée ou complémentaire de la surface 9 du moule 8 et qui représente la même précision géométrique que celle-ci. En variante, le miroir terminé peut comporter une couche de résine 5 intercalée entre le substrat 6 et la couche termi- nale 11. On applique ensuite sur la couche 11 une pellicule métal- lique réfléchissante par l'un des nombreux procédés connus, par exem- ple par métallisation sous vide, par réduction chimique d'un sel métallique, par galvanoplastie etc.... Avantageusement, la résine polymérisable qui constitue la couche 11 est la même que la résine du béton de résine du substrat 6 et que celle qui constitue la couche de protection 5, de sorte que l'on obtient une très bonne adhérence entre la couche 11 et le substrat 6 ou entre la couche 11, la couche 5 et le substrat 6. Le procédé selon l'invention permet de réaliser un miroir de 50 cm d'ouverture de qualité À/10 en deux semaines environ au cours desquelles le travail effectif est de 3 à 4 jours seulement, le reste du temps étant consacré à l'attente de la polymérisation de la résine. Le prix de revient d'un tel miroir est de l'ordre du dixième de celui d'un miroir traditionnel de même qualité en verre. Il REVENDICATiO NS R vn EVNDIcAT 1X 0 M S 1. Procédé pour fabriquer un substrat de miroir, caracté- risé par la suite d'opérations suivantes: - - on fabrique un moule (1) dont le fond (2) a une face su- périeure (3) polie, complémentaire de la face réfléchissante à réaliser; on enduit ladite face polie d'une pellicule (4) d'un produit anti- adhésif destiné à faciliter le démoulage; - on dépose sur ladite pellicule une couche dure (5) mince et uniforme; - on coule dans ledit moule un béton de résine formant un substrat (6); - on laisse durcir et on démoule ledit substrat. 2. Procédé pour fabriquer un miroir de qualité astronomi- que, caractérisé en ce que: - on fabrique un substrat (6) en béton de résine par le procédé selon la revendication 1, - puis, par un procédé de réplication de surface, on réalise, au contact de la face (7) dudit substrat qui était en contact avec la face polie du moule, une couche de résine (11) que l'on revêt d'une pellicule.réfléchissante. 3. Procédé pour fabriquer un miroir de qualité astrono- mique, caractérisé en ce que: - on fabrique un substrat (6) en béton de résine par le procédé selon la revendication 1; - on enlève ladite couche dure (5); - on fabrique un moule (8) ayant une face (9) polie com- plémentaire de la face réfléchissante du miroir à réaliser; - on enduit ladite face polie (9) d'une pellicule (10) d'un produit anti-adhésif destiné à faciliter le démoulage; - on dépose sur ladite pellicule une couche (11) de résine polymérisable liquide; - on applique sur ladite couche de résine (11), avant qu'elle ne soit solidifiée, la face (7) dudit substrat (6) en béton de résine qui était en contact avec ladite couche dure (5); - on laisse durcir la résine; - on démoule; - et on applique sur la face externe de ladite couche de résine (11) une pellicule réfléchissante. 4. Procédé pour fabriquer un miroir de qualité astronomi- que, caractérisé en ce que: - on fabrique un substrat (6) en béton de résine par un procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite couche dure (5) est une couche de résine polymérisable qui reste en place après démoulage; - on fabrique un moule (8) ayant une face (9) polie complé- mentaire de la face réfléchissante du miroir à réaliser; - on enduit ladite face polie (9) d'une pellicule (10) d'un produit anti-adhésif destiné à faciliter le démoulage; - on dépose sur ladite pellicule une couche (11) de résine polymérisable liquide; - on applique sur ladite couche de résine (11) avant qu'elle ne soit solidifiée, la face externe de ladite couche dure (5); - on laisse durcir, on démoule; - et on applique sur la face externe de ladite couche de résine (11) une pellicule réfléchissante. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit béton de résine est composé d'agré- gats et d'un liant en résine polymérisable dont la proportion est telle qu'il remplit tout juste les vides entre les grains d'agrégats. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la répartition granulométrique des agrégats est sensiblement la suivante: - une moitié environ du poids des agrégats est composée d'agrégats de la classe granulométrique supérieure dont la limite su- périeure est définie par une largeur de maille (D) qui est de l'or- dre du dixième de la plus faible dimension du miroir à réaliser et dont la limite inférieure est définie par une lar- geur de maille (P) égale à la moitié de la limite supérieure; - l'autre moitié du poids des agrégats est composée d'agré- gats qui se répartissent dans une dizaine de classes granulométri- ques dont les limites supérieure et inférieure sont définies par des dimensions de mailles suivant une progression géométrique de raison (2) et la proportion pondérale d'agrégats (y), exprimée en pour- centage du poids total d'agrégats, qui passe à travers un tamis - ayant une ouverture de itaille (d) varie suivant une loi de m la forme y = kd dans laquelle k est un coefficient constant et m une constante comprise entre 3 et 6. 7. Substrat de miroir, caractérisé en ce qu'il est compo- sé de béton de résine. 8. Substrat de miroir, caractérisé en ce qu'il est composé de béton de résine composé d'agrégats ayant une répartition granulo- métrique selon la revendication 6. 9. Substrat de miroir selon l'une quelconque des revendi- cations 7 et 8, caractérisé en ce que lesdits agrégats sont des billes creuses. 10. Miroir de qualité astronomique, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (6) en béton de résine selon l'une quelcon- que des revendications 7 et 8, dont la face externe (7) est revêtue d'une couche de résine (11) qui est réalisée par un procédé de répli- cation de surface selon l'une quelconque des revendications 2 à 4.