Brevet FR2922612A1 — publié le 20090424

DISPOSITIF STRUCTURAL D'AMELIORATION DE LA TENUE D'UNE STRUCTURE AUX DILATATIONS EN TEMPERATURE La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'assemblage de panneaux, dont la surface est en composites à base de fibres de carbone, à partir de pièces d'attaches appelées également ferrures structurales d'attache. Plus particulièrement le dispositif selon l'invention concerne le domaine de l'assemblage de structures de satellite, pour des applications spatiales, dont les températures aux limites [-50°C, +80°C] imposent des dilatations thermiques des structures. Actuellement, les structures des satellites destinés à stationner dans l'espace sont composées de panneaux sandwichs, dont les semelles sont généralement en carbone. Afin d'assembler ces panneaux, des pièces d'attache sont destinées à joindre et à fixer les panneaux les uns aux autres. Ces panneaux sont généralement assemblés de manière à réaliser un caisson ou une structure cloisonnée pouvant recevoir une charge utile. Par exemple, une solution connue est réalisée à partir d'une pièce d'attache en aluminium comprenant deux faces planes parallèles entre lesquelles un panneau en composites à base de fibres de carbone est inséré et ensuite collé. La pièce d'attache peut être reliée ensuite à une autre pièce d'attache par une liaison vissée par exemple. Les conditions dans l'espace, compte tenu des missions imposent aux structures des satellites des variations en température importantes. Généralement, on considère que la plage [-50°C, +80°C] est applicable à la plupart des missions de satellites géostationnaires de télécommunication. Lors de ces variations de températures, les matériaux des structures subissent des dilatations et créent des efforts de résistances au niveau des jonctions des structures assemblées et plus particulièrement au niveau des joints de colle séparant un panneau d'une pièce d'attache. Les matériaux étant différents, les coefficients de dilatation, de l'ordre de 2.10"6 K 1 pour le carbone et de l'ordre de 20 .10-6 K I pour l'aluminium, sont également différents et provoquent un cisaillement important au niveau de la colle à chaud et à froid. Dans ces conditions, on considère que la diminution de la tenue des structures au niveau des pièces d'attache peut proche de40% à -50°C par rapport à l'ambiante compte tenu de la différence des coefficients de dilatation thermique de l'aluminium et du carbone. En outre, les satellites actuels deviennent de plus en plus polyvalents et les missions peuvent être variées et diversifiées, ces raisons tendent à considérer une plage élargie de températures au niveau de la structure des satellites. La plage de température à prendre en compte étant de plus en plus large, les dangers potentiels de rupture des structures sont accrus. Concernant ce type d'application, dans la pratique, une pièce d'attache est généralement collée à un panneau à partir d'au moins une surface plane préalablement usinée de manière à rendre solidaire la pièce d'attache avec le panneau. Les panneaux deviennent solidaires entre eux lorsque les pièces d'attache les joignent deux à deux. Un des inconvénients d'un tel dispositif réside en ce que des matériaux ayant des coefficients de dilatation différents collés entre eux subissent des efforts importants essentiellement supportés par les joints de colle à basse et haute température. Un risque encouru est la rupture prématurée du joint de colle, la rupture étant une conséquence d'une dilatation des matériaux provoquée par de nombreuses variations de températures sur une grande plage. Dans ces conditions, pour pallier le danger de rupture, le renforcement des pièces d'attache implique de nombreuses difficultés de réalisation. Une solution connue pour résoudre partiellement ce dernier inconvénient est l'utilisation de ferrures structurales d'attache en titane dont le coefficient de dilatation est plus proche de celui du carbone que l'est celui de l'aluminium. En revanche cette solution présente les inconvénients d'être coûteuse, de rendre l'usinage de la pièce difficile et de rendre nécessaire un traitement des surfaces, celui-ci étant contraignant. Une autre solution connue consiste à remplacer les ferrures structurales d'attache métalliques par des blocs de carbone stratifiés collés à chaud lors de la polymérisation des semelles sur le panneau. Cette solution présente de nouveaux inconvénients. Notamment, le fluage important du carbone dans le sens perpendiculaire à celui des fibres, particulièrement à chaud, et la difficulté à réaliser une liaison vissée de deux panneaux complexifient la fabrication des dispositifs d'attache et des panneaux. Par ailleurs, cette solution oblige à figer les définitions détaillées de l'assemblage des panneaux très tôt dans le procédé de fabrication. Un but de l'invention est de remédier à ces inconvénients. Le dispositif selon l'invention permet d'une part de disposer d'une pièce d'attache moulée et réalisée dans le même matériau ou proche de celui du panneau, notamment de la fibre de carbone, dont le coefficient de dilatation est faible, et de disposer dans la pièce moulée un insert métallique permettant de supporter le passage de charges mécaniques entre les panneaux de la structure. Cette solution présente l'avantage d'obtenir un mode de réalisation d'assemblages vissés et de transférer la charge supportée par les joints de colle au niveau de l'insert métallique inclus dans la ferrure en fibres ou faisceaux de fibres de carbone. Avantageusement, la structure d'assemblage pour panneau structural comprend : • un panneau rigide sensiblement plan ; • au moins une pièce d'attache monobloc, réalisée par moulage, collée au panneau, la pièce d'attache comprenant : o au moins une première face plane, appelée � pelle �, comprenant : ^ un évidemment pouvant recevoir une colle et ; 30 ^ des rebords destinés à retenir la colle autour de l'évidement et au moins une ouverture ; o un barreau solidaire de la première face plane, Avantageusement, la structure d'assemblage pour panneau structural est caractérisée en ce que : o les matériaux de la pièce d'attache et du panneau sont en composite ; o et que le barreau comprend un insert métallique dont le coefficient de dilatation est supérieur au matériau de la pièce d'attache, l'insert métallique étant positionné dans le moule lors du moulage de la pièce d'attache. Avantageusement, la pièce d'attache est composée de faisceaux de fibres de carbone pré-imprégnés d'une résine thermodurcissable. Avantageusement, l'insert métallique comprend un collet à l'intérieur du barreau empêchant l'extraction de l'insert. Avantageusement, l'insert métallique comprend deux parties sensibles cylindriques, la partie de plus grand diamètre étant le collet. Avantageusement, l'insert métallique est en aluminium. Avantageusement, l'axe de l'insert métallique est dans le plan de la pelle de la pièce d'attache. Avantageusement, la structure comprend une seconde pelle parallèle la première pelle et ayant les mêmes caractéristiques, les deux 20 pelles étant solidaires du barreau, la distance entre les deux pelles correspondant sensiblement à l'épaisseur du panneau, la pièce d'attache formant une selle. Avantageusement, les pelles comprennent chacune au moins trois ouvertures, dont l'une pouvant servir à insérer la colle dans l'évidemment des 25 pelles et les deux autres étant des trous de positionnement. Avantageusement, le procédé de réalisation d'une structure d'assemblage pour panneau structural comporte : • une première étape de compression à chaud de fibres de carbone imprégnées d'une résine thermodurcissable dans un moule comprenant un insert métallique, la pièce ainsi moulée étant appelée pièce d'attache et comprenant : o une première partie formée d'au moins une première face plane, appelée pelle, comprenant un évidement et au moins un trou traversant la pelle ; 30 35 o une seconde partie formée d'un barreau solidaire de la première face plane comprenant l'insert métallique dont le coefficient de dilatation est supérieur à celui du composite ; • une seconde étape de taraudage de l'insert métallique de manière à fileter le barreau de la pièce d'attache ; • une troisième étape de collage de la première face plane de la pièce d'attache à un panneau structural dont les semelles sont en carbone. Avantageusement, la première étape est réalisée à une température proche de 120°C. Avantageusement, la première étape comprend la réalisation par moulage de deux autres trous traversant la pelle permettant de positionner la pièce d'attache sur le panneau, ce dernier comprenant des points de marquage, les trous étant appelés � trous de positionnement �. Avantageusement, le sens de taraudage de l'insert métallique est dans le plan des pelles et dans un axe parallèle au sens de l'enfichage du panneau dans la pièce d'attache. Avantageusement, une étape de réalisation de points de marquages sur la semelle du panneau comprend l'usinage de trous sur les semelles. Avantageusement, la troisième étape est réalisée par l'introduction d'une colle dans l'évidement d'au moins une pelle par un trou traversant la pelle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard des dessins annexés qui représentent • la figure 1A représente une vue 3D d'un mode de réalisation d'une pièce d'attache de l'invention • la figure 1B représente une vue de coupe d'un mode de réalisation d'une pièce d'attache de l'invention ; ; • la figure 2 représente une vue de coupe de l'assemblage d'une pièce d'attache et d'un panneau et du joint de colle ; 6 • la figure 3 représente la pièce d'attache et la pièce d'insert apte à coopérer avec une vis. • La figure 4 représente un exemple schématique de 5 panneaux assemblés et des pièces d'attache les fixant ensemble. 5 La figure 1A représente un cas de réalisation d'un moyen essentiel de l'invention représenté par la pièce d'attache 1. Celle-ci est moulée par compression à chaud dans un matériau composite tel que des faisceaux de fibres de carbone pré-imprégnés d'une résine thermodurcissable. La résine 10 peut être par exemple de la résine epoxy. Pour ce faire un moule est réalisé pour la pièce d'attache. Dans la suite de la description on distingue deux parties fonctionnelles différentes de la pièce 1 d'attache monobloc. La première constitue le barreau 2 qui permet de fixer la pièce d'attache 1 à une autre pièce d'attache 15 par l'intermédiaire d'une vis par exemple, et la seconde est composée, dans le cas de réalisation de la figure 1, de deux faces 3, 3' parallèles, encore appelées � pelles � dans le vocabulaire technique. Ces dernières permettent notamment de recevoir un panneau plan dont l'épaisseur est sensiblement égale à l'écart entre les deux faces. 20 Le moulage de la pièce d'attache est effectué à une température proche de 120°C de manière à rendre la matière à base de carbone molle et apte à prendre la forme du moule. La cuisson s'effectue durant une durée proche de 5 minutes. Le moule comporte des parties saillantes permettant de réaliser des trous 5, 5' sur les 25 pelles 3, 3' de la pièce d'attache 1. Les trous 5, 5' sont destinés à l'infiltration d'une colle sur les surfaces internes de la pièce d'attache 1. La figure 1B représente une vue de coupe de la pièce d'attache 1. L'invention permet de mouler la pièce d'attache 1 en y insérant lors du 30 moulage un insert métallique 6. L'insert métallique 6 peut avantageusement être en aluminium et se compose d'une première partie cylindrique 6' et d'une seconde partie formant un collet 6", les deux parties étant solidaires. Le collet 6" permet de maintenir l'insert à l'intérieur de la pièce d'attache 1 lors des transmissions d'efforts axiaux. 7 Dans son utilisation finale, l'insert est destiné à être taraudé afin de permettre de fixer une attache axiale au moyen d'une vis par exemple. Dans un cas de réalisation privilégié, le collet 6" peut être de forme cylindrique également et concentrique à la première partie cylindrique 6'. L'insert métallique est avantageusement positionné de telle manière que l'axe de la première partie cylindrique 6' de l'insert 6 est dans le plan des pelles 3, 3', l'axe de l'insert étant parallèle à la direction d'enfichage de la pièce d'attache sur un panneau. Afin d'optimiser la répartition des charges, l'insert métallique peut être centré sur la face externe du barreau. Un avantage, pendant le moulage de la pièce d'attache lors de la compression à chaud à une température proche de 120°C, est que l'insert métallique dilaté permet d'introduire lors du refroidissement un faible jeu entre l'insert métallique et la pièce d'attache. Ce jeu permet lors des dilatations dans un environnement à des températures comprises dans la plage [-50°C, +80°C] de ne pas introduire d'efforts supplémentaires sur la pièce d'attache dus à la dilatation thermique de l'insert métallique. Par ailleurs, les pelles 3, 3' internes de la pièce 1 comprennent, chacune, un évidemment 7, 7'. Cet évidemment 7, 7' permet de recevoir la colle lors de son introduction par les orifices 5, 5' lorsque le panneau est inséré entre les pelles 3, 3'. La figure 2 représente un dispositif structural selon l'invention comprenant la pièce d'attache 1, un panneau 21, celui-ci comprenant une semelle supérieure et une semelle inférieure, et une colle 20, 20' insérée par les orifices 5, 5'. Le panneau 21 est inséré entre les deux pelles 3, 3' de la pièce d'attache 1. La colle est injectée par les orifices 5, 5' et est recueillie dans les évidements 7, 7'. Le panneau 21 est alors maintenu dans la pièce 1 par adhésion des 30 faces de la pièce d'attache 1 et des semelles du panneau. Un exemple de panneau structural pour satellite selon l'invention peut être composé de deux semelles de carbones extérieures destinées à être collés sur les faces internes de la pièce d'attache 1 et d'une structure de nid d'abeille à l'intérieur du panneau. 35 La figure 3 représente la pièce d'attache 1 ainsi que l'insert 6 dans le barreau 2. L'insert 6 dans son usinage final est taraudé et présente un filetage 30 apte à recevoir une vis 31. Le principal avantage d'un tel dispositif consiste en la réduction des efforts sur le joint de colle étant donné les coefficients de dilatation sensiblement proche des semelles carbone des panneaux et des pièces d'attache composées de faisceaux de fibres de carbone imprégnés d'une résine thermodurcissable. ~o Un avantage d'une telle solution réside dans la simplification du procédé de collage dû à la géométrie de la pièce d'attache. Par ailleurs, les surfaces destinées à être collées de la pièce d'attache ne nécessitent pas de traitement spécifique avant collage. En outre, les coûts de fabrication sont faibles par rapport à la réalisation de pièces d'attache en titane. 15 Un autre avantage est la bonne tenue de la liaison vissée axiale supportée par l'insert, celui-ci étant positionné et maintenu dans la pièce d'attache dès le moulage. La figure 4 représente un exemple d'assemblage de 5 panneaux 20 structuraux 46, 47, 48, 49, 50 maintenus ensembles par des pièces attaches, telles que décrites précédemment, fixées entre elles et formant des doubles attaches axiales 40, 41, 42, 43, 44, 45. Cet exemple est illustré à titre indicatif afin d'illustrer un cas d'assemblage de plusieurs panneaux structuraux. 25 Un autre mode de réalisation du dispositif structural selon l'invention est d'obtenir une pièce moulée ne comportant qu'une seule face, c'est à dire comportant une seule pelle. Le principe de collage entre la pelle de la pièce d'attache et la semelle du panneau reste le même que celui décrit 30 précédemment. Un autre mode de réalisation consiste à disposer de pelles de la pièce d'attache 1 comportant plusieurs trous ou orifices. Par exemple, le moulage de la pièce d'attache 1 permet à partir du moule d'insérer trois trous 35 sur chacune des pelles. Dans ce mode de réalisation, sur chacune des pelles de la pièce d'attache 1, un trou est destiné à l'insertion de la colle dans l'évidemment et les deux autres trous permettent de positionner les pelles sur le panneau au moyen de marquages préalablement situés sur le panneau. Avantageusement les marquages peuvent être des trous de manière à faire un contrôle de positionnement des pelles sur les semelles du panneau en insérant un axe dans les deux trous de chacune des pelles. Dans ce dernier cas, les trous, respectivement des pelles et des semelles, peuvent être superposés et maintenus par un insert cylindrique ~o axial pendant le collage de la pièce d'attache et du panneau et retirés ensuite par exemple. La structure selon l'invention ne se limite pas au domaine d'application [-50°, +80°] mais peut avantageusement résister au-delà de ces limites, notamment dans une plus large plage de températures allant de 15 -180° à +200°. REVENDICATIONS 1. Structure d'assemblage pour panneau structural comprenant : • un panneau rigide sensiblement plan ; • au moins une pièce d'attache monobloc, réalisée par moulage, collée au panneau, la pièce d'attache comprenant : o au moins une première face plane, appelée � pelle �, comprenant : ^ un évidemment pouvant recevoir une colle et ; ^ des rebords destinés à retenir la colle autour de l'évidement et au moins une ouverture ; o un barreau solidaire de la première face plane, caractérisé en ce que : o les matériaux de la pièce d'attache et du panneau sont en composite ; o et que le barreau comprend un insert métallique dont le coefficient de dilatation est supérieur au matériau de la pièce d'attache, l'insert métallique étant positionné dans le moule lors du moulage de la pièce d'attache. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pièce d'attache est composée de faisceaux de fibres de carbone pré-imprégnés d'une résine thermodurcissable. 3. Structure selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que l'insert métallique comprend un collet à l'intérieur du barreau empêchant l'extraction de l'insert. 30 4. Structure selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'insert métallique comprend deux parties sensibles cylindriques, la partie de plus grand diamètre étant le collet. 5. Structure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que 35 l'insert métallique est en aluminium.25 6. Structure selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'axe de l'insert métallique est dans le plan de la pelle de la pièce d'attache. 7. Structure selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend une seconde pelle parallèle la première pelle et ayant les mêmes caractéristiques, les deux pelles étant solidaires du barreau, la distance entre les deux pelles correspondant sensiblement à l'épaisseur du panneau, la pièce d'attache formant une selle. 8. Structure selon la revendication 7, caractérisée en ce que les pelles comprennent chacune au moins trois ouvertures, dont l'une pouvant servir à insérer la colle dans l'évidemment des pelles et les deux autres étant des trous de positionnement. 9. Procédé de réalisation d'une structure d'assemblage pour panneau structural, caractérisé en ce que qu'il comporte : • une première étape de compression à chaud de fibres de carbone imprégnées d'une résine thermodurcissable dans un moule comprenant un insert métallique, la pièce ainsi moulée étant appelée pièce d'attache et comprenant : o une première partie formée d'au moins une première face plane, appelée pelle, comprenant un évidement et au moins un trou traversant la pelle ; o une seconde partie formée d'un barreau solidaire de la première face plane comprenant l'insert métallique dont le coefficient de dilatation est supérieur à celui du composite ; • une seconde étape de taraudage de l'insert métallique de manière à fileter le barreau de la pièce d'attache ; • une troisième étape de collage de la première face plane de la pièce d'attache à un panneau structural dont les semelles sont en carbone. 20 25 30 10. Procédé de réalisation d'une structure selon la revendication 9, caractérisé en ce que la première étape est réalisée à une température proche de 120°C. 11. Procédé de réalisation d'une structure selon la revendication 9, caractérisé en ce que la première étape comprend la réalisation par moulage de deux autres trous traversant la pelle permettant de positionner la pièce d'attache sur le panneau, ce dernier comprenant des points de marquage, les trous étant appelés � trous de positionnement �. 12. Procédé de réalisation d'une structure selon la revendication 9, caractérisé en ce que le sens de taraudage de l'insert métallique est dans le plan des pelles et dans un axe parallèle au sens de l'enfichage du panneau dans la pièce d'attache. 13. Procédé de réalisation d'une structure selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une étape de réalisation de points de marquages sur la semelle du panneau comprend l'usinage de trous sur les semelles. 14. Procédé de réalisation d'une structure selon la revendication 9, caractérisé en ce que la troisième étape est réalisée par l'introduction d'une colle dans l'évidement d'au moins une pelle par un trou traversant la pelle.