Brevet FR2877101A1 — publié le 20060428

P. i 2877101 Système et méthode de fabrication de miroirs légers de haute précision. 1 a - Champ de l'invention: Cette invention fait suite au brevet N 01 14819 et concerne la conception et la fabrication de miroirs légers et économiques à partir d'une structure hybride trimorphe associant des matériaux durs traditionnels en couche mince polissable reposant sur un support constitué de deux matériaux composites légers et rigides à base de carbone et de résine composite. Celle-ci peut être appliquée à des composants optiques terrestres y compris les instruments amateurs compte tenu de son faible coût. 1 b - L'état de l'art antérieur: Instruments d'optique, : Les miroirs massifs en verre ou céramique sont lourds et difficiles à réaliser. Les matériaux traditionnels stables thermiquement sont coûteux et la réalisation des supports mécaniques éliminant les mises en contraintes localisées, résultant notamment du poids du miroir, est complexe. Les techniques d'allègement, tel que le fraisage de la face arrière des miroirs, sont complexes et coûteuses. L'utilisation des supports cellulaires utilisés jusque là pour les miroirs allégés comprenant une face polissable en matériaux classiques, génèrent un marquage de la surface optique lors du polissage du aux flexions locales des parties non supportées. L'élimination de ce marquage nécessite des opérations longues et coûteuses telles que le polissage ionique local. D'autres méthodes utilisées pour les applications spatiales tel que celle décrite dans l'US patent N 6,206,531 du 27 Mars 2001 mettent en oeuvre des matériaux coûteux et complexes dont les réalisations sont hors de portée d'un budget grand public. Les miroirs composites proposés permettraient un gain de poids important sans faire appel aux technologies complexes et coûteuses développées dans le domaine de l'optique spatiale embarquée P. 1 2877101 1 c - Description détaillée: Cette description décrit le principe de l'invention et de sa mise en oeuvre et ne se limite en aucun cas aux exemples ci-dessous. La présente invention est caractérisée en ce qu'un miroir constitué d'un matériau dur homogène de type classique (verre ou vitrocéramique), en couche mince, pouvant être amené à un état de surface de haute précision est supporté par un substrat rigide de faible densité dont les caractéristiques élevées en compression permettent le travail de la couche mince de surface comme si elle avait l'inertie correspondante à une pièce massive grâce à l'interposition d'une couche de liaison en résine composite à forte résistance à la compression répartissant les efforts lors des opérations d'usinage et de polissage qui peuvent être exécutées par les procédés classiques en vigueur sans qu'aucun marquage résiduel ne soit perceptible sur la surface optique. Ce support est constitué d'un substrat en mousse de carbone à cellules ouvertes recouvert d'une couche de liaison continue en résine composite alliant une faible densité à une très forte résistance à la compression. Cette couche de résine permet une liaison mécanique solide et continue homogène entre la mousse de carbone et la surface optique et constitue une poutre évitant la flexion de la surface optique au dessus des cellules de la mousse pendant les opérations de polissage. La structure à cellules ouvertes évite également les problèmes d'écrasement de la mousse lors de la mise sous vide pendant les phases de métallisation de la surface optique et favorise le 20 refroidissement de l'ensemble. Par ailleurs la mousse de carbone est traitée de façon à la rendre thermiquement conductrice afin de faire office de radiateur de la surface optique accélérant ainsi son équilibrage avec la température ambiante et limitant la durée des phases transitoires de mise en température. Un tel miroir est rigide et léger avec une structure autoporteuse permettant ainsi sa fixation par trois inserts noyés dans la mousse du substrat sans avoir recours à des dispositifs mécaniques de suspension complexes. Tous les matériaux utilisés sont sélectionnés ou traités de façon à obtenir un coefficient de dilatation thermique homogène proche de celui de la surface optique utilisée. P. 3 2877101 L'utilisation de matériaux économiques pour la surface optique tels que la vitrocéramique et leur polissage et usinage par les outillages classiques existants permet la réalisation de miroirs économiquement utilisables pour la réalisation d'instruments d'astronomie tels que ceux destinés à l'astronomie amateur et certaines applications professionnelles. L'homme de l'art comprendra que la présente description d'un système trimorphe s'applique à de nombreuses combinaisons de matériaux et que la description actuelle peut être étendue à d'autres domaines. Exemples: 1 Miroir sphérique ou asphériques pour instruments d'observation: Le miroir est constitué d'un ménisque thermoformé en verre ou vitrocéramique mince (quelques mm) reposant sur un support bimorphe en mousse de carbone et résine composite intermédiaire. Un tel miroir est très léger et rigide. La couche de verre mince qui constitue la couche optique réfléchissante peut être polie de manière classique comme s'il s'agissait d'un miroir en verre massif grâce à la rigidité et la résistance à la compression du support. Le support bimorphe est appliqué au dos du miroir de façon à assurer une bonne liaison mécanique et est éventuellement, en fonction des dimensions, renforcé par des éléments en carbone ou fibre de verre ou kevlar, pour augmenter sa rigidité en flexion pour les grands diamètres. Une alternative consistera en l'utilisation d'un gradient de densité pour le substrat.Un tel miroir n'a pas besoin de cellule de suspension puisque la couche optique soutenue sur toute sa surface de manière continue ne subit pas de contrainte Mécanique. La fixation du bloc miroir composite peut être simplement effectuée en intégrant trois inserts dans le support en résine sans transmettre de contrainte dans la couche optique. P. 4- 2 - Schémas: 1/3 - Principe général 2/3 - Système hybride verre ou céramique et support composite 3/3 - Système composite intégral P. ; 2877101 3 - Revendications: 1 - Procédé permettant la réalisation de miroirs optiques durs en couches minces caractérisées en ce que les surfaces sont supportées de manière continue par un support bimorphe de faible densité ayant une forte résistance à la compression et à la flexion de façon à permettre l'usinage et le polissage de la couche mince de surface pour obtenir une qualité optique de haute précision nécessitée par les applications astronomiques amateur ou professionnelles. 2 - Selon la revendication 1 procédé caractérisé en ce que le support bicomposant est constitué d'un substrat massif en mousse de carbone thermiquement conductrice à cellules ouvertes et d'une couche de liaison en résine composite appliquée au dos de la surface optique de façon à assurer une bonne liaison mécanique. 3 - Selon la revendication 2 la résine composite de liaison est une mousse syntactique ou un dérivé de mousse syntactique. 4 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que pour une surface de grande dimension,le support peut être renforcé par des éléments en carbone ou fibre de verre ou kevlar pour augmenter sa rigidité et dans lequel le substrat peut être organisé en plusieurs couches de densité différente afin d'optimiser le rapport poids/rigidité. - Procédé selon les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que le support comporte des inserts de fixation mécanique 6 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface réalisée est un miroir sphérique ou asphérique très léger et rigide pour télescope. 7 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface réalisée est usinable et polissable selon les procédés et outillages classiques existants. 8 - Procédé selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que l'assemblage réalisé est thermiquement homogène grâce à l'utilisation de matériaux ayant des coefficients de dilatation de même ordre de grandeur. P. 6 2877101 9 - Procédé selon les revendicationslet 2 caractérisé en ce que la mousse de carbone est traitée de façon à être rendue thermiquement conductrice afin d'agir comme radiateur de la surface optique donnant ainsi à l'ensemble une faible inertie thermique et un temps de réponse très court aux variations de température. - Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'utilisation d'une mousse de carbone à cellules ouvertes permet la mise sous vide de l'assemblage pendant les opérations de métallisation de la surface optique.