Brevet FR2786671A1 — publié le 20000609

-1- L'invention concerne la réalisation d'une coque pour les casques de protection crânio- cérébrale. Le crâne comporte deux segments: le neuro-crâne qui contient le cerveau et le viscêro-crâne qui représente le squelette de la face. La présente invention concerne principalement la coque couvrant le neuro-crâne. Les principes de la conception des casques de protection datent depuis avant l'apparition du scanner. Depuis plus de 15 ans celui-ci est devenu l'examen de référence dans la traumatologie crânio-cérébrale. Nos connaissances médicales évoluent et la présente invention en est une conséquence. Les casques de protection actuels contiennent deux composantes qui doivent répondre à des exigences de sécurité biomécanique: - une coque externe qui assure, lors d'un impact la distribution de l'énergie délivrée à une surface plus grande que celle intéressée par le choc externe. Elle assure aussi une résistance accrue à la pénétration de la calotte. - une coiffe intermédiaire destinée à l'absorption partielle de l'énergie transmise et distribuée par la coque externe. Dans le cas des casques pour motocyclistes (ou similaire), par l'utilisation des matériaux de plus en plus résistants et rigides, la coque assure aujourd'hui seulement une fonction de distribution en surface des forces développées pendant un impact, même s'il s'agit d'un impact à risque neurologique (IRN) élevé. Elle restitue à la coiffe intermédiaire la quasi- totalité de l'énergie reçue. Dans le cas des casques pour cyclistes (ou similaire), par l'utilisation des matériaux très souples, la coque n'assure pas, ou pratiquement pas, de fonction biomécanique. Dans tous les cas, après absorption partielle de cette énergie par la. coiffe intermédiaire, l'énergie cinétique résiduelle est transmise au crâne et finalement au cerveau. Les troubles neurologiques immédiats qui peuvent en résulter sont d'autant plus graves que l'énergie transmise au cerveau est plus élevée. Par IRN on comprend les impacts qui exposent le sujet à la survenue des troubles neurologiques (transitoires ou persistants) malgré le port d'un casque conçu dans l'état de la technique. Le but de cette invention est la diminution des troubles neurologiques post traumatiques chez les porteurs d'un casque de protection par la diminution des troubles neurologiques immédiats grâce à une meilleure absorption d'énergie par le casque en cas d'impact violent. -2- L'industrie des casques de protection est face à deux questions: 1. Comment fabriquer des casques plus efficaces sans pour autant augmenter l'épaisseur et le volume du casque au-delà des limites acceptables ? A part le manque de confort et la fatigue infligée aux muscles du cou, cette augmentation peut en elle-même favoriser les accidents par la diminution de la perception (visuelle et sonore) du milieu environnant. D'ailleurs, pour ces raisons, l'augmentation exagérée du volume du casque peut facilement devenir un frein pour son utilisation. 2. Quand protéger mieux la tête: en cas d'impacts violents (rares) ou en cas d'impacts modérés (fréquents) ? Les travaux publiés par Corner (1987), Mills (1991), Smith (1993) montrent que si les casques actuels sont conçus pour mieux amortir les impacts violents, ils seront durs et moins efficaces en cas d'impact d'énergie moyenne. La coque selon l'invention répond à ces deux questions. Sa principale caractéristique consiste dans sa capacité de subir des déformations (D) ou des fractures (F) de préférence en regard des régions de résistance maximale du crâne humain, en cas d'IRN. L'énergie ainsi absorbée ou consommée assure la diminution de l'énergie transférée à la tête et aussi au rachis cervical. Les risques de tétraplégie post-traumatique secondaire à une fracture du rachis cervical seront ainsi également diminués. Les D ou F surviennent dans des régions de la coque contenant des couches de basse résistance (CBR) ou des zones de basse résistance (ZBR) mécanique. En cas d'impact de faible énergie, la coque selon l'invention fonctionne sur le même principe que la coque des casques moto actuels et distribue en surface l'énergie de l'impact. De ce point de vue les ZBR et les CBR fonctionnent sur le même principe que les " soupapes de sûreté >> des récipients sous pression. Toutes les solutions envisagées sont applicables dans le respect des normes actuelles. En même temps ces nouvelles coques permettront à l'avenir l'élaboration des normes nouvelles et meilleures en matière de casques de protection. La déformation ou la fracture de la coque a des conséquences mécaniques importantes: 1. la durée (t) de l'impact augmente. 2. l'énergie cinétique (E0 = mV2/2) reçue par la tête (E.3) diminue car l'énergie absorbée par le casque (AE I + AE2) augmente. E,0 = l'énergie cinétique de l'ensamble avant l'impact AE 1 = énergie absorbée par la coque AE2 = énergie absorbée par la coiffe E.3 = Ej - (AEI + AE2) -3- L'accélération moyenne (a) développée lors des tests normatifs diminue car Ec3 diminue et t augmente. (a = V/t = (2Ecy3m)'2/t) Le "Head Injury Criterion" (HIC), utilisé pour évaluer l'amortissement des choques normatifs, est exprimé dans sa forme simplifiée: HIC = dV2 5/dt1'5 = (dV2/dt)(dV/dt)"2 Il est proportionnel à l'énergie cinétique (dV2) et inversement proportionnel à la durée du transfert d'énergie pendant l'impact (dt). Pour les raisons déjà exposés, il va baisser, témoignant ainsi d'un meilleur amortissement des chocs. Les modalités de réalisation pratique présentés plus bas sont simplement données à titre d'exemples non limitatifs. Différentes combinaisons entre des solutions présentées et leurs variantes sont également envisagées. Deux groupes de solutions pratiques et quelques exemples seront présentés: A. La déformation D se produit par l'écrasement des CBR, de préférence en regard du point d'impact. B. La fracture F se produit par la déchirure des ZBR, de préférence à distance du point d'impact. Les CBR sont placées en dehors de l'épaisseur de la coque. Les CBR peuvent être disposées sur une ou les deux surfaces (interne et externe) de la coque. Les ZBR sont disposées dans l'épaisseur de la coque. De préférence ces CBR ou ZBR sont concentrées en regard d'au moins deux des six zones de résistance mécanique maximale du crâne humain qui sont représentées par les deux piliers fronto-latéraux, les deux piliers rétro-auriculaires et les deux os pariétaux. Les régions de la ligne médiane et temporales antérieures seront de préférence exemptées de leur présence pour diminuer les risques de blessure du sinus longitudinal supérieur et respectivement de l'artère méningée moyenne. Ces structures anatomiques sont particulièrement exposées par leur position à un risque élevé de saignement en cas de fracture de crâne à proximité. Les zones ou les couches de basse résistance peuvent couvrir moins de 20% de la surface totale de la coque. -4- Plusieurs ZBR ou CBR peuvent être en contact ou situées à moins de 10 mm entre elles ou de toute solution de continuité telle que les oriffices d'aération, de fixation (jugulaire, visière, etc.) et former ainsi un groupement spatial de basse résistance (GSBR). Les ZBR ou les CBR peuvent être en contact ou situées à moins de 5 mm du bord de la coque - frontal (BFC), latéral (BLC) ou postérieur (BPC). Le point le plus haut de la coque, pour un casque positionné sur la tête, sera nommé le centre de la coque (CC). La grande circonférence de la coque couvrant la voûte crânienne sera appelée par la suite "la grande circonférence de la coque" (GCC). Sa direction est approximativement horizontale. Elle coïncide en avant avec le bord frontal de la coque (BFC) aussi bien pour les casques intégrales que pour les autres types de casque et est défminie par le croisement entre le plan contenant le BFC et la surface externe de la coque. Les zones de basse résistance (ZBR) Chaque ZBR peut présenter un point avec une résistance minimale au déchirement ou au cisaillement. Par la suite ce point sera appelé "le point de résistance minimale" (PRM) de la ZBR. Le PRM de toute ZBR sera situé de préferance au niveau du tiers de la ZBR le plus éloigné du CC. Chaque ZBR a, grâce à sa conformation, une direction de résistence minimale qui correspond avec la direction de la fracture de coque qui surviendra en cas d'IRN. Cette direction sera appelée par la suite "la direction de résistance minimale" (DRM) de la ZBR. L'angle définit entre la DRM et la GCC est de préférence entre 60 et 120 . Les dimensions en surface des ZBR sont variables. Le diamètre maximal en surface- la longueur - peut être au moins 20 fois supérieur à leur diamètre minimal - largeur. La DRM d'une ZBR correspond souvent avec sa longueur. Ainsi l'angle définit entre la longueur des ZBR et la GCC est de préférence entre 60 et 120 . Les ZBR peuvent être réalisées dans une variante par la diminution de l'épaisseur de la coque et réalisation des dépressions ou sillons sur au moins une des deux surfaces, externe ou interne, de la coque. Leur profondeur et leur surface peuvent être variables ou progressivement variables. Les dimensions des depressions ou sillons mesurées en surface sur des coupes parallèles au bord de la coque peuvent varier progressivement. La profondeur peut dépasser, au moins par endroits, 50% de l'épaisseur de la coque mesurée en proximité de la ZBR sur une coupe parallèle avec le bord du casque. -5- Elle peut représenter, au moins par endroits, 100% de l'épaisseur de la coque et réaliser ainsi des solutions de continuité (SC). La longueur des SC peut être au moins 20 fois supérieure à leur largeur dans le même plan Leur longueur peut être supérieure à 70 mm. La longueur des SC mesurée sur toute direction qui passe par le centre de la coque peut être inférieure à 7 mm, en particulier pour les SC situées au contact ou à moins de 5 mm du bord de la coque (BFC, BLC ou BPC) ou à moins de 10 mm d'autres solutions de continuité de la coque (telles que les orifices d'aération ou de fixation) ou d'autres zones ou couches de basse résistance. Au moins un diamètre des SC peut être inférieur à 3 mm. Dans une autre variante, les ZBR peuvent être obtenues par l'inclusion dans l'épaisseur de la coque des bulles de gaz ou d'autres structures réalisées d'un matériau différent ou similaire au reste de la coque. Dans le cas d'un matériau solide, l'inclusion peut aussi être faite sur au moins une des surfaces de la coque. Cette situation correspond à un sillon ou à une dépression, voir à une SC remplie avec le matériau en cause. Ainsi le manque de substance dans l'épaisseur de la coque peut être occupé au moins partiellement par des inclusions métaliques dont les zones ayant une épaisseur inférieure à 80% de l'épaisseur de la coque, sont couvertes au moins partiellement vers les deux surfaces de la coque par le composant principal de la coque. Une de ces variantes est représentée par l'inclusion dans l'épaisseur de la coque des structures aplaties et de formes variables, ayant une rigidité, une dureté et une résistance mécanique élevée. Elles peuvent être réalisées avec l'emploi des structures métaliques ou autres matériaux comme des résines, d'autres polymères ou des matériaux composites. A la différence des matériaux composites, quand des fibres résistantes sont utilisées pour renforcer la résistance au déchirement de la coque, et dont le cas sera décrit plus loin, l'emploi des structures solides ici décrites réalise une baisse de la résistance au déchirement, favorisant ainsi, en cas d'impact violent, la survenue des fractures à distance du point d'impact et avec une direction optimale. En même temps, par leur rigidité et leur résistence accrue à la pénétration, elles augmentent la résistance de ces zones en cas d'impact direct, même par un objet pointu. L'épaisseur d'une telle structure est variable et mesure de préférence entre 0,5 mm et 3 mm. Elle peut aussi être égale, au moins par endroits, à l'épaisseur de la coque mais, de préférence, ne la dépasse pas. La surface de la coque correspondant à une telle structure est variable et sera de préférence entre 0,3 et 5 cm2. La surface des segments de coque qui contient des telles structures peut représenter moins de 10% de la surface totale de la coque. -6- Ces structures peuvent mesurer entre 1 et 3 mm2 sur au moins deux coupes perpendiculaires à leur dimension maximale et placées à au moins 10 mm entre elles. Elles peuvent avoir une forme ovale ou polygonale en section. De préférence, elles sont réalisées en métal et ont en surface une forme de triangle isocèle, avec la base plus épaisse en section et parallèle au périmètre maximal de la coque, voir située au contact ou à moins de 5 mm du bord de la coque. Dans une autre variante, pour les coques fabriquées en matériaux composites, les ZBR peuvent aussi être obtenues par la modification de la densité ou de l'orientation des fibres employées (fibres de verre, carbone, aramide, métalliques) avant l'injection de la résine ou de la polymère dans le moule. Les zones de basse résistance peuvent être obtenues par la diminution d'au moins 50% de la densité des fibres par rapport aux régions proches des zones de basse résistance. Dans une autre variante les zones de basse résistance sont obtenues par la diminution d'au moins 30% de la densité des fibres non radiales et longues par rapport à la densité des fibres parallèles avec leur directions et situées dans des régions proches des zones de basse résistance. Les fibres non radiales sont définies commrnre les fibres dont la direction croise la GCC selon un angle inférieur à 70 ou supérieur à 110 . Les fibres longues sont définies comme les fibres qui dépassent les limites opposées de la ZBR d'au moins 10 mmn. Une autre variante consiste dans l'interruption de plus de 50% des fibres longues qui croisent la direction de résistance minimale sous tout angle, ou de préférence sous un angle entre 30 et 150 . La diminution de la densité des fibres longues peut être d'au moins 50% par rapport aux fibres parallèles, ou faisant avec leurs directions des angles inférieurs à 10 , et situées dans les zones proches des ZBR. Dans ces ZBR, les fibres longues qui croisent la direction de résistance minimale sous tout angle peuvent être absentes ou interrompues par découpe. Dans une autre variante, des couches supplémentaires de fibres dont la direction croise la direction de résistance minimale de la ZBR, sont rajoutées dans les zones proches des ZBR avant l'injection de la polymère ou de la résine. Une autre variante est celle qui consiste dans l'inclusion dans les zones proches des ZBR des faisceaux supplémentaires de fibres faisant des angles de 30 - 150 avec la longueur de la ZBR. Une autre variante d'obtention des ZBR est la disposition de plus de % des fibres contenues dans la surface correspondante aux ZBR, selon des directions parallèles à la direction de résistance minimale ou à la longueur de la ZBR. -7- Les zones de basse résistance peuvent aussi être constituées de plusieurs orifices situés à moins de 10 mmn entre eux. Dans une autre variante la coque peut être réalisée par secteurs. Les secteurs peuvent faire corps commun entre eux vers le centre de la coque et réaliser ainsi, dès le départ, une pièce polygonale unique. Le nombre de secteurs à assembler au moins partiellement est variable et sera de préférence compris entre 2 et 5. Les secteurs sont ensuite assemblés réalisant des ZBR en regard de ces jonctions. La résistance au déchirement des jonctions peut varier et représente de préférence entre 30% et 70% de la résistance au déchirement des segments de coque avoisinants. L'emboutissage, le collage à chaud, l'emploi des substances adhésives ou l'emboîtement des structures à crochets au moins partiellement amovibles et réglables peuvent être envisagés. Les structures à crochets peuvent être partiellement amovibles, solidaires avec un des segments à assembler, réglables, et former ainsi des structures "en bracelet". Elles peuvent être fabriquées en même temps que le reste de la coque ou y être rajoutées ultérieurement par tout procédé technique (emboutissage, collage, traversée de la coque sur une partie ou toute son épaisseur). Les structures à crochets peuvent être détachables des deux segments à assembler et former ainsi des structures "en pont". Les structures à crochets peuvent être disposées sur une seule surface de la coque, de préférence la surface interne. Cette variante est particulièrement adaptée à la situation quand les secteurs font corps commun entre eux vers le centre de la coque. Dans une autre variante, les structures à crochets peuvent être disposées sur les deux surfaces de la coque. Par leur emboîtement alternatif (externe - interne en section, droite - gauche en surface) ils assurent la solidité de l'ensemble. Les couches de base résistance (CBR) Les CBR peuvent être situées au contact de la face externe ou interne de la coque, ou à distance de la face interne de la coque, dans l'épaisseur de la coiffe intermédiaire. Dans la dernière variante exposée, les CBR entrent en contact avec la coque au moment d'un impact violent, après l'écrasement de la coiffe intermédiaire entre la coque et la tête. Les CBR peuvent être obtenues par la réalisation des structures plissées en "U", en "M", chacune ayant plusieurs contacts avec la coque vue en section, ou en "T", en "L", chacune ayant un seul contact avec la coque vue en section. L'épaisseur des matériaux utilisés est variable et peut être inférieure à 75% de l'épaisseur de la coque en regard. L'épaisseur des CBR peut dépasser 5 mm ou même 10 mm. La surface de la coque couverte par chaque CBR peut varier entre 0,5 cm2 et 30 cm2. Au moins les deux tiers des CBR peuvent mesurer en surface entre 3 cm2 et 15 cm2. -8- Matériaux identiques, similaires ou différents par rapport au reste de la coque peuvent être utilisés pour leur fabrication. Ils seront de préférence identiques avec la polymère ou la résine utilisée pour le reste de la coque. Les CBR pourront ainsi être fabriquées en même temps que le reste de la coque par la modification du moule d'injection. Dans une autre variante elles peuvent être fabriquées séparément. Les CBR peuvent aussi présenter des crochets emboîtés dans la coque. La coque décrite peut aussi présenter des solutions de continuité dont la longueur est au moins 20 fois supérieure à sa largeur. La coque selon l'invention est destinée à la réalisation des calottes de casques de protection de tout type (intégral ou non intégral) et particulièrement utilisées dans les domaines civils (motocyclette - essais, compétition et usagers; automobiles - essais, compétition; vélo - compétition, usagers; autres sports - roller, skateboard, sports d'hiver; milieu industriel). -9- REVENDICATIONS 1) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale caractérisé en ce qu'elle comporte des couches ou des zones de basse résistance qui assurent une absorption d'énergie en cas d'impact à risque neurologique par leur déformation ou fracture et prolonge la durée de l'impact diminuant ainsi l'accélération développée. 2) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon la revendication 1 caractérisée en ce que les zones ou les couches de basse résistance sont concentrées en regard d'au moins deux des six zones de résistance mécanique maximale du crâne humain qui sont représentées par les deux piliers fronto-latéraux, les deux piliers rétroauriculaires et les deux os pariétaux. 3) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications I - 2 caractérisée en ce que les zones ou les couches de basse résistance couvrent moins de 20% de la surface totale de la coque. 4) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications I - 3 caractérisée en ce qu'au moins une partie des couches ou des zones de basse résistance sont situées à moins de 10 mm de toute solution de continuité telle que les oriffices d'aération, de fixation, autre zone ou couche de basse résistance. ) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications 1 - 4 caractérisée en ce qu'elle comporte des couches ou zones de basse résistance situées à moins de 5 mm du bord de la coque. 6) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications 1 - 5 caractérisée en ce que les zones de basse résistance sont obtenues par la diminution de l'épaisseur de la coque et réalisation des dépressions ou sillons sur au moins une des surfaces de la coque. 7) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon la revendication 6 caractérisée en ce que la profondeur des depressions ou sillons est variable. -10- 8) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications 6 - 7 caractérisée en ce que les depressions ou sillons ont une profondeur qui représente, au moins par endroits, de 50% jusqu'à 100% de l'épaisseur de la coque mesurée en proximité de la zone de basse résistance sur une coupe parallèle avec le bord du casque. 9) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon la revendication 8 caractérisée en ce que le segment traversant toute l'épaisseur de la coque mesure moins de 7 mm sur toute direction qui passe par le centre de la coque. 10) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon la revendication 6 caractérisée en ce que les dimensions des depressions ou sillons mesurées en surface sur des coupes paralléles au bord de la coque sont variables. 11) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications I - 10 caractérisée en ce que le manque de substance dans l'épaisseur de la coque est occupé au moins partiellement par des inclusions métaliques dont les zones ayant une épaisseur inférieure à 80% de l'épaisseur de la coque, sont couvertes au moins partiellement vers les deux surfaces de la coque par le composant principal de la coque. 12) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications 1 - 5 caractérisée en ce qu'elle est réalisée en matériaux composites et les zones de basse résistance sont obtenues par la diminution d'au moins 50% de la densité des fibres par rapport aux régions proches des zones de basse résistance. 13) Une coque pour un casque de protection crnio-cérébrale selon les revendications I - 5 caractérisée en ce qu'elle est réalisée en matériaux composites et les zones de basse résistance sont obtenues par la diminution d'au moins 30% de la densité des fibres non radiales (dont la direction croise la grande circumférence de la coque, décrite à son tour par le croisement entre le plan contenant le bord frontal du casque et la surface externe de la coque, selon un angle inférieur à 70 ou supérieur à 110 ) et longues (qui dépassent les limites opposées de la zone de basse résistance d'au moins 10 mm) par rapport à la densité des fibres parallèles avec leur directions et situées dans des régions proches des zones de basse résistance. 14) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications 1 - 13 caractérisée en ce que le point de résistance minimale à la fracture des zones de basse -l- résistance - tel que représenté par le point o la profondeur ou la largeur des depressions ou sillons mesurée sur une coupe parallèle au bord du casque est maximale, par le point o la densité en fibres obliques et horizontales des coques en matériaux composites est minimale - est situé au niveau de leur tiers le plus éloigné du centre de la coque. ) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications 1 - 5 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une zone de basse résistance constituée de plusieurs orifices situés à moins de 10 mm entre eux. 16) Une coque'pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications 1 - 5 caractérisée en ce qu'elle comporte des zones de basse résistance représentées par des jonctions entre des segments de coque, réalisées au moins en partie avec l'emploi des structures à crochets au moins partiellement amovibles, réglables. 17) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications 1 - 5 caractérisée en ce que les couches de basse résistance sont réalisées sous la forme des structures plissées en U, M, T, L d'un matériau ayant une épaisseur de maximum 75% de l'épaisseur de la coque en regard. 18) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications I - 5 et 17 caractérisée en ce que les couches de basse résistance ont une épaisseur supérieure à 5 min. 19) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications 1 - 5 et 17 - 18 caractérisée en ce que au moins les deux tiers des couches de basse résistance couvrent chaqune une surface de 3 - 15 cm2. ) Une coque pour un casque de protection crânio-cérébrale selon les revendications I - 5 et 17 - 19 caractérisée en ce que les couches de basse résistance sont situées dans l'épaisseur de la coiffe intermédiaire et entrent en contact avec la surface interne de la coque seulement en cas d'impact par l'écrasement de la coiffe entre la coque et la tête. 21) Une coque pour un casque de protection crnio-cérébrale selon les revendications 1 - 20 caractérisée par la présence des solutions de continuité dont le diamètre maximal est au moins 20 fois supérieur au diamètre minimal.