Brevet FR2866858A1 — publié le 20050902

Titre Procédé de fabrication de voiles, coques, et enveloppes structurelles sur coussin d'air ou de particules Description État de l'art Plusieurs produits manufacturés demandent la fabrication d'enveloppes multicouches de faible épaisseur (de 0,1 mm à 100 mm environ), possédant des caractéristiques mécaniques élevées en termes de résistance aux efforts et à la fatigue, de non déformation dans le temps. Parmi ce type de produit, on compte les voiles de navires, qui sont soumises à des sollicitations particulièrement importantes de la part de leur environnement de fonctionnement, et aussi des tentes, bâches, dômes, coques, aérostats... Pour obtenir les meilleures performances possibles sur ces critères, le produit dit Voiles Structurelles a été décrit dans sa structure et breveté par des spécialistes des voiles de navires (Brevets Sobstad Sailmakers Inc n FR2574749, EP0191216 et US4831953). Il s'agit essentiellement de peaux, constituées à partir de panneaux, recouvertes de treillis et de membres structurels reliant un point de concentration de charge à un autre, et capables de supporter l'essentiel des efforts, l'ensemble étant éventuellement recouvert de couches ou peaux supplémentaires. Différents procédés sont classiquement utilisées pour réaliser des voiles ou enveloppes structurelles: - Procédés des brevets Sobstad Sailmakers Inc n FR2574749, EP0191216 et US4831953, par juxtaposition de panneaux réalisés sur tables à vide ou sur planchers - Procédé du brevet North Salis EPO475083, par tension de couches de panneaux multiples pré assemblés sur moule. 2866858 2 - Procédé mise en oeuvre par diverses entreprises dont UK Sailmakers, de renforcement par bandes adhésives posées sur membres structurels, réalisée sur planchers de voilerie. Ces divers procédés se caractérisent par la présence d'une surface physique solide immobile étendue servant à l'élaboration du produit. La présente invention permet de fabriquer des voiles ou enveloppes structurelles sans aucun support physique solide de ce type au contact de l'enveloppe, qu'il s'agisse de moule, de table à vide ou de plancher. Elle permet de réaliser des produits de dimensions plus importantes et variables, avec une facilité accrue et des investissements réduits. La mise en forme est effectuée par gonflage, rembourrage ou mise sous tension, une solution de réalisation décrite correspondant à un procédé de mise sous pression. Une voile ou enveloppe mince peut avoir une structure complexe formée principalement d'éléments longilignes disposés selon les lignes d'efforts. Cette structure est enduite d'adhésif et prise en sandwich entre diverse couches formant les peaux extérieures du produit. Le procédé décrit permet de créer des surfaces renforcées complexes, de le faire avec un investissement matériel réduit et des possibilités dimensionnelles uniquement limitées par le local de production. La première phase est de façon préférentielle la création théorique sur ordinateur des volumes et diagrammes d'efforts qui détermineront la structure. De ces dessins sont tirées les peaux extérieures qui sont créées selon les procédés classiques de la voilerie. Une de ces peaux est de façon préférentielle mise en forme par pression d'air par exemple et reçoit dans cette position les éléments structurels grâce à un dispositif automatisé. Une deuxième peau peut être positionnée, plaquée par vide d'air à la structure et liée par activation des colles formant ainsi lun des produits recherché. Description générale Pour fabriquer des voiles, coques ou enveloppes composites, la forme d'ensemble est obtenue sans moule, par mise sous pression ou mise en dépression, et/ou mise en tension, et/ou rembourrage d'une enceinte dont une des parois est une première couche souple, retenue par un cadre réglable (continu ou discontinu ou constitué d'un ensemble de points d'attache) et intégrée au produit final, lequel est obtenu de façon préférentielle par l'application de membres structurels souples ou rigides et/ou de couches supplémentaires souples ou rigides sur ladite première couche ainsi mise en forme. La forme de la première couche est déterminée par découpe et assemblage de panneaux, collés ou cousus, et/ou par thermoformage. La première couche ainsi mise en volume peut être mesurée par palpeurs ou balayage électromagnétique, comparée à des volumes prévus, et réajustée par modification de la pression et/ou des dimensions du cadre avant application des éléments successifs sur cette couche. Ensuite cette première couche est modifiée tout en restant éventuellement maintenue en pression, par prélèvement ou adjonction d'éléments de surface, suivis de collage. Les corrections de ce type peuvent représenter la majeure partie voire la totalité de la mise en forme de la première couche. Des membres structurels sont de façon préférentielle appliqués sur la première couche, éventuellement recouverte préalablement d'autres couches, reliant de façon continue des points de concentration de charge et capables de supporter la majorité des efforts subis par le produit final dans son utilisation. Ces membres structurels peuvent être constitués par exemple par des fibres d'Aramide, de Carbone, des lattes composites ou des armatures métalliques et peuvent être conformes aux spécifications relatives aux voiles structurelles, et notamment recouverts d'autres couches souples ou rigides, continues ou en treillis. Ces membres structurels sont en général enduits de colles à froid ou à chaud et/ou appliqués sur des surfaces elles mêmes enduites de colle. La pose des membres structurels est de façon préférentielle effectuée au moyen d'un ou plusieurs groupes de deux dispositifs mécaniques motorisés, appelés effecteurs, se déplaçant de part et d'autre de la première couche, restant en vis à vis, l'un servant d'appui et l'autre de système de dépose des membres structurels précités. Ces effecteurs peuvent être supportés par des chariots reliés à des portiques comportant des rails. Alternativement l'un des deux effecteurs d'un groupe peut également être supporté au travers de la première couche par l'autre effecteur, ou lui être suspendu, au moyen de forces de contact, de pression ou électromagnétiques avec asservissement de position à travers ladite première couche. Un des effecteurs est lié mécaniquement par exemple à une borne télescopique mobile. 2866858 5 Ces effecteurs sont, dans une variante de réalisation, guidés optiquement le long de courbes tracées sur la couche recevant les membres structurels. Ensuite l'adhésion des matériaux est en général favorisée par la mise sous vide entre couches et préférentiellement activée par augmentation contrôlée de la température du gaz de l'enceinte, ou alternativement par circulation de panneaux radiatifs. L'enceinte maintenue sous pression peut ne pas être totalement close mais traversée par un flux dynamique de gaz. Différentes variantes de mise en forme sont les suivantes: Le cadre peut dans certains cas être principalement constitué d'un gréement de navire, La mise en forme de la première couche peut être obtenue par 20 traction localisée de façon éventuellement additionnelle à la mise sous pression ou dépression de l'enceinte. La mise en forme de la première couche peut être effectuée par remplissage de particules ou rembourrage, remplissage associé ou substitué à une pression de fluide dans l'enceinte générale et/ou à la mise sous pression d'enceintes secondaires situées à l'intérieur de ladite enceinte générale. Ces particules peuvent être constituées de boules, billes, grains, bulles, ballons, flocons ou fibres, réalisées en polystyrène, polyester, polyéthylène, polypropylène, mousse plastique, liège et autres matières synthétiques ou naturelles. Dans ce procédé il est possible d'obtenir un support local accru de la première couche permettant de déposer les membres structurels au moyen d'un seul effecteur au lieu de deux. 2866858 6 La mise en forme de la première couche peut être effectuée principalement par gravité et réglage du cadre, associés ou substitués à une pression ou dépression de fluide dans l'enceinte générale. Les couches souples ou rigides, ou les treillis et membres structurels utilisés sont par exemple réalisés au moyen d'un ou plusieurs des matériaux suivants: Bétons, Métaux, Fibre de verre, Polyester, Polystyrène, Polymères, Mousses, Fibres végétales, Aramides, Carbone, Nanotubes et divers autres matériaux qui sont appliqués sous forme de film, de tissus ou par projection. Illustrations FIG. 1 Vue perspective de la réalisation d'une tente FIG. 2 Vue perspective de la réalisation d'une grand-voile FIG. 3 Vue en coupe de la réalisation d'une enveloppe 7 Description d'un exemple de réalisation Dans l'exemple de réalisation retenu, la première opération consiste à découper des panneaux de film Mylar (marque déposée) enduits de colle à base de polymères activables par chaleur et/ou Ultra Violets et protégés par du papier téflonné. Cette découpe s'effectue au moyen de tables traçantes ou de découpe classiques dans le métier de voilerie. Les formes de découpe ont été préalablement définies au vu de l'expérience accumulée par comparaison des prévisions et réalisations, avec utilisation de logiciels spécialisés de CAO, qui décomposent la surface volumique d'ensemble en juxtaposition de surfaces développables au sens mathématique du terme. Les panneaux sont assemblés sur plancher par superposition de leur lisières sur 2 cm environ, avec activation locale de la colle d'enduction. Cette première peau (1) ainsi obtenue est transportée sur le cadre (2) auquel elle est fixée par serrage continu après avoir été libérée de son papier de protection. Une jupe souple (3) fait le tour du cadre et le relie à la paroi du bâtiment ou au sol, assurant ainsi l'étanchéité requise. Toujours dans l'exemple de réalisation retenu, l'enceinte (4) est mise sous pression d'air par un compresseur (5) asservi à un capteur de pression permettant la régulation. Le remplissage peut aussi s'effectuer à l'aide de boules de polys tyrène de calibre environ 1 cm, en les soufflant sous la peau jusqu'à agglomération. L'enveloppe prend alors une forme initiale gonflée proche de la forme théorique. Après reprise des jeux par traction sur les câbles de retenue (6) 2866858 8 du cadre, une mesure de la surface est effectuée par déplacement de palpeurs, et comparée informatiquement à des surfaces prévues. La disposition est réajustée par modification de la pression et/ou des dimensions du cadre. Des mesures et corrections successives peuvent être nécessaires avant validation du volume. Toute cette phase est effectuée dans un local dénué de mouvement d'air substantiel afin que les mesures ne soient pas perturbées. La forme étant ainsi établie, le processus de pose des membres structurels peut commencer. Il s'agit dans le cas de réalisation retenu, de rubans ou fils de fibres de Kevlar (marque déposée). Les motifs décrits par les membres structurels sont normalement choisis par le maître voilier ou le technicien responsable du calcul de la structure. Dans certain cas ils relient de façon continue des points de concentration de charges et sont capables de supporter la majorité des efforts subis par le produit final dans son utilisation. Les effecteurs peuvent déposer plusieurs rubans parallèlement en se déplaçant à la vitesse de déroulement du ruban lui-même. Ils sont de façon préférentielle pilotés par des logiciels s'apparentant à des pilotes de fraiseuses 5 axes permettant ainsi un suivi tangentiel de la surface en chaque point. L'effecteur supérieur (7) est supporté au travers de la première couche par l'autre effecteur (8), au moyen de forces de contact, et électromagnétiques avec asservissement de position à travers ladite première couche par repérage à l'aide de capteurs capacitifs. l'effecteur inférieur (8) permet ainsi d'appliquer une pression suffisante sur la surface pour que les éléments déposés (enduits eux aussi de colle ou non) restent en place au cours du processus complet. Dans une variante de réalisation, l'adhésif enduisant les fibres structurelles voit sa température modifiée 2866858 9 avant la pose pour faciliter la tenue en place de l'ensemble avant la liaison définitive. L'effecteur inférieur est, dans l'exemple supporté par une borne télescopique mobile (9) sur la surface plane du plancher de l'enceinte. Dans une variante de réalisation, chaque effecteur est supporté par un chariot relié à un portique (10) comportant des rails. Comme dans un processus d'usinage, les effecteurs sont préférentiellement positionnés à une origine adéquate de façon à commencer le processus de travail en vis à vis. Une fois le travail de dépose de la structure terminé, une couche jumelle en négatif de la première peut être ajustée sur l'ensemble avant la mise sous vide du produit à l'aide de pompes adaptées. La phase suivante consiste dans le cas de réalisation retenu, à déclencher la polymérisation définitive des adhésifs pris entre les deux films; ceci se fait dans l'exemple par une élévation contrôlée et homogène de la température d'air de l'enceinte vide de tout matériel, la chaleur, par convection et conduction, se propageant dans le matériau. Selon une variante, la polymérisation s'obtient par rayonnement ultra violet ou thermique à partir d'effecteurs spécialisés se déplaçant le long de la surface. Après refroidissement eventuellemnt nécessaire, l'enceinte est ramenée ou maintenue à la pression extérieure, le produit peut être extrait du cadre, et transporté à l'atelier de finition. Revendications 1/ Procédé pour fabriquer des voiles, coques ou enveloppes composites caractérisé en ce que la forme d'ensemble est obtenue sans moule, par mise sous pression ou mise en dépression, mise en tension, et/ou rembourrage d'une enceinte dont une des parois est une première couche souple, retenue par un cadre réglable (continu ou discontinu ou constitué d'un ensemble de points d'attache) et intégrée au produit final, lequel est obtenu par l'application de membres structurels souples ou rigides et/ou de couches supplémentaires souples ou rigides sur ladite première couche ainsi mise en forme. 2/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première couche est modifiée tout en restant éventuellement maintenue en pression, par prélèvement ou adjonction d'éléments de surface et suivis de collage, les corrections de ce type représentant une partie ou la totalité de la mise en forme de la première couche. 3/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pose des membres structurels est effectuée au moyen d'un ou plusieurs groupes de deux dispositifs mécaniques motorisés, appelés effecteurs, se déplaçant de part et d'autre de la première couche, restant en vis à vis, l'un servant d'appui et l'autre de système de dépose des membres structurels précités, lesdits effecteurs étant supportés par des chariots reliés à des portiques comportant des rails ou alternativement l'un des deux effecteurs d'un groupe étant supporté au travers de la première couche par l'autre effecteur, ou lui étant suspendu, au moyen de forces de contact, de pression ou électromagnétiques avec asservissement de position à travers ladite première couche. 2866858 11 4/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'adhésion des matériaux est favorisée par la mise sous vide entre couches et activée par augmentation contrôlée de la température du gaz de l'enceinte, ou alternativement par circulation de panneaux radiatifs. 5/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'enceinte maintenue sous pression n'est pas totalement close mais traversée par un flux dynamique de gaz. 6/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit cadre est principalement constitué d'un gréement de navire. 7/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la forme d'ensemble de la première couche est obtenue par traction localisée sur la première couche de façon éventuellement additionnelle à la mise sous pression ou dépression de l'enceinte. 8/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mise en forme de la première couche est effectuée par remplissage de particules ou rembourrage, remplissage associé ou substitué à une pression de fluide dans l'enceinte générale et/ou à la mise sous pression d'enceintes secondaires situées à l'intérieur de ladite enceinte générale. Ces particules peuvent être constituées de boules, billes, grains, bulles, ballons, flocons ou fibres, réalisées en polystyrène, polyester, polyéthylène, polypropylène, mousse plastique, liège et autres matières synthétiques ou naturelles. Dans ce procédé il est possible d'obtenir un support local accru de la première couche permettant de déposer les membres structurels au moyen d'un seul effecteur au lieu de deux. 2866858 12 9/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mise en forme de la première couche est effectuée principalement par gravité et réglage du cadre, associés ou substitués à une pression ou dépression de fluide dans l'enceinte générale. 10/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les couches supplémentaires sont réalisées par projection de matériaux. 15 20 25