Brevet FR2931100A1 — publié le 20091120

La présente invention concerne un matériau cellulaire à base de billes, ainsi qu'un procédé pour la réalisation d'un tel matériau. On connaît déjà des matériaux cellulaires à base de billes. Ces matériaux sont actuellement très recherchés pour leurs nombreuses proprié- tés physiques (robustesse, légèreté, résistance à l'impact, etc ...). Aussi trouvent-ils de multiples applications, notamment dans des dispositifs d'absorption acoustique (tels que décrits dans les documents FR 2 815 603, FR 2 807 810 et FR 2 862 798) et dans des dispositifs d'absorption d'énergie mécanique (tels que présentés dans le document FR 2 657 043, l'article "Modelling of MHS cellular solid in large strains" publié dans l'International Journal of Mechanical Sciences nc' 48 (2006) p. 1273-1286 et l'article "Uniaxial Elasto-Plastic Behaviour of Adhesively Bonded Hollow Sphere Structures (HSS) : Numerical Simulations and Experiments" des livres 539-543 du Materials Science France (2007) p. 1874-1879). De tels dispositifs sont par exemple utilisés en construction aéronautique, navale, automobile, etc ... Il est notamment décrit, dans le document FR 2 585 445, un pro-cédé pour la réalisation d'un objet en matériau cellulaire sous la forme d'un agencement compact de billes. A cette fin, on introduit une quantité appropriée de billes dans un moule ayant la forme de l'objet souhaité, puis on solidarise les billes en contact les unes des autres. Par ailleurs, le document FR 2 615 787 décrit un procédé pour la fabrication d'objets en matériau cellulaire à base de nappes de billes. Selon ce procédé, des nappes de billes sont disposées dans un rnoule pour en épouser la forme. Une fois le moule chargé de nappes de billes, les billes en contact sont fixées les unes aux autres. Ainsi, la mise en oeuvre des procédés connus des documents FR 2 585 455 et FR 2 615 787 nécessite impérativement l'utilisation d'un moule pour accueillir soit des billes, soit des nappes de billes. Bien entendu, l'utilisation même d'un moule est contraignante, puisqu'il est nécessaire de le fabriquer, puis généralement de l'éliminer après l'obtention de l'objet souhaité. En outre, seuls des objets massifs en matériau cellulaire peuvent être obtenus par ces procédés connus, la fabrication des objets creux ou évidés n'étant pas, ou que très difficilement, envisageable. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. A cette fin, selon l'invention, le matériau cellulaire à base de billes est remarquable en ce qu'il comporte un matériau initial à base de billes deux à deux reliées les unes aux autres, de façon non jointive, en formant au moins une suite continue. Ainsi, de telles suites continues de billes peuvent non seulement être disposées dans des moules connus dans la technique antérieure, mais encore être bobinées autour d'objets de formes développables comme non développables, entrelacées les unes aux autres ou avec des fils pour for- mer des nappes de billes, etc ... Les objets en matériau cellulaire à base de billes de la présente invention peuvent ainsi être creux ou massifs. On notera que des réalisations pratiques de telles suites continues de billes sont déjà connues et utilisées dans des mécanismes d'actionnement de persiennes, de volets, de stores vénitiens, etc ... (tel que décrit dans les documents US 6 164 428, US 6 138 714, EP 14 18306 et US 6 644 376). Elles sont également mises en oeuvre pour accrocher ou suspendre des objets dans le cadre d'applications mécaniques (telles que décrites dans les documents US 5 933 878, US 5 659 141 et US 5 509 181), mais aussi décoratives (comme mentionné dans les do- cuments US 7 017 521, US 6 023 946, EP 1 080 653, etc ...). Il est ainsi aisé de se procurer de telles suites de billes du fait de leur utilisation massive dans des domaines d'application autres que celui de la présente invention. Bien que les billes de ladite suite continue puissent être deux à deux reliées les unes aux autres par l'intermédiaire d'un lien souple ou même d'une tige au moins partiellement rigide, la liaison entre deux billes successives de ladite suite continue est avantageusement une articulation (par exemple un maillon ou un point de matériau adhésif souple) de sorte ~o que ladite suite forme une chaîne à billes. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le matériau cellulaire à base de billes peut être composé d'au moins deux telles suites continues de billes reliées l'une à l'autre. Les suites continues de billes ainsi reliées peuvent l'être par leurs 15 extrémités ou bien, en variante, à n'importe quel emplacement de manière à former un réseau plus ou moins complexe et régulier de suites continues de billes. On notera que les liaisons entre les suites continues de billes peu-vent être réalisées en mettant en oeuvre des procédés chimiques, physico- 20 chimiques, mécaniques, etc ..., en fonction de la nature des caractéristiques des différentes suites continues. Dans les suites continues de billes de l'invention, les billes peuvent être pleines ou creuses. Ainsi, notamment lorsque lesdites billes sont creuses, le matériau 25 cellulaire de l'invention peut présenter une grande capacité d'absorption d'énergie mécanique en cas d'impact et de compression. En effet, les billes étant autant de cellules aptes à se déformer plastiquement et ainsi à dissiper l'énergie absorbée par ledit matériau, leur déformation perrnet au matériau cellulaire d'accepter des déformations très importantes, tout en conservant un niveau raisonnable de contraintes à l'intérieur de celui-ci. De plus, les billes creuses réduisent notablement le poids du matériau cellulaire et peuvent lui conférer une porosité élevée. Par ailleurs, lorsque le matériau cellulaire de l'invention esi: formé à partir de plusieurs suites continues de billes, ces dernières peuvent présenter des caractéristiques identiques (matériau les constituant, i:aille des billes, forme des billes, etc ...), ou bien peuvent être différentes de manière à obtenir un matériau cellulaire ayant des propriétés structurales hétérogènes. De plus, selon l'invention, au sein d'une même suite de billes, les billes peuvent présenter des caractéristiques (taille, forme, etc ..,) identiques ou bien être différentes. La présente invention concerne également un procédé pour la réalisation d'un matériau cellulaire à base de billes. Selon l'invention, ce procédé est remarquable en ce qu'on utilise au moins une suite continue de billes dans laquelle lesdites billes sont deux à deux reliées les unes aux autres. Ainsi, une telle suite continue de billes facilite la manipulation des billes lors de la réalisation du matériau cellulaire de l'invention. En effet, grâce à un tel agencement de billes, on peut notamment : bobiner ladite suite continue de billes autour de la surface latérale d'un objet servant de mandrin. Un tel bobinage permet notamment de recouvrir du matériau cellulaire à base de billes de l'invention des objets de forme développable comme non développable (ces objets pouvant être conservés ou au contraire éliminés des objets en matériau cellulaire souhaités) ; disposer ladite suite continue de billes dans un moule. Ainsi, lorsque plusieurs suites continues de billes sont par exemple utilisées, on peut les conformer à la forme du moule en les disposant aléatoirement ou de façon ordonnée dans celui-ci. Ce moule peut faire partie de l''objet en matériau cellulaire souhaité ou bien être éliminé de ce dernier. entrelacer une pluralité de telles suites continues de billes les unes avec les autres ou, en variante, avec des liens (par exemple métalliques ou synthétiques), de manière à former des nappes de billes aptes notamment à résister à l'impact et à la perforation. En outre, pour obtenir des nappes de plus grande épaisseur, on peut, par exemple : superposer plusieurs nappes de billes de plus faible épaisseur les unes sur les autres, puis les assembler ensemble (par exernple par 10 brasage, collage, etc ...) ; réaliser un tissage en trois dimensions de suites continues ale billes, selon un procédé connu du domaine des applications textiles. De plus, les nappes de billes de faible ou plus grande épaisseur ainsi réalisées peuvent par exemple être enroulées autour de la surface laté-15 raie d'objets ; ùetc... Par ailleurs, selon l'invention, quelle que soit la manière doit la ou les suites continues de billes ont été utilisées (bobinage, moulage, tissage, etc ...), on peut fixer avantageusement les billes en contact les unes aux 20 autres de sorte à obtenir, par exemple, un matériau cellulaire à base de billes au moins partiellement rigide. On notera que le matériau cellulaire à base de billes de l'invention pourra être confiné (que les billes soient solidarisées entre elles ou non), par exemple, dans une structure cloisonnée. 25 Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 représente, schématiquement et partiellement, en coupe transversale, une suite continue de billes, pouvant être utilisée pour former le matériau cellulaire à base de billes de l'invention, dans laquelle les billes sont deux à deux reliées les unes aux autres par l'intermédiaire d'un lien souple. La figure 2 représente schématiquement et partiellement, en coupe transversale, une suite continue de billes, pouvant être utilisée pour former le matériau cellulaire à base de billes de l'invention, dans laquelle les billes sont deux à deux reliées les unes aux autres par l'intermédiaire d'une tige au moins partiellement rigide. La figure 3 représente schématiquement et partiellement, en coupe 1 o transversale, une suite continue de billes, pouvant être utilisée pour former le matériau cellulaire à base de billes de l'invention, dans laquelle la liaison entre deux billes adjacentes est une articulation. Les figures 4A, 4B et 4C illustrent la réalisation de nappes à billes conformément à la présente invention. 15 Comme le montre la figure 1, la suite continue de billes Ti apte à être utilisée dans la mise en oeuvre de l'invention est constituée de billes 1 pleines de forme sphérique. Ces billes 1 sont deux à deux reliées les unes aux autres par l'intermédiaire d'un lien souple 2 (par exemple un fil métallique, un fil synthétique, etc ...) qui traverse diamétralement chaque bille 20 1. En variante, comme illustré sur la figure 2, la suite continue de billes T2 également apte à être utilisée dans la mise en oeuvre de l'invention comprend aussi des billes 1 pleines de forme sphérique mais qui sont, dans cette variante, deux à deux reliées les unes aux autres par 25 l'intermédiaire d'une tige au moins partiellement rigide 3 (par exemple en métal, en matériau de synthèse, etc ...) qui les traverse diamétralement. Dans une autre variante, comme représenté sur la figure 3, la suite continue de billes T3 apte à être utilisée dans la mise en oeuvre de l'invention est composée de billes 4 creuses de forme sphérique. Chaque bille 4 est reliée à la bille 4 adjacente par une articulation 5 (par exemple un maillon en forme d'haltère). Les articulations 5 sont articulées sur les coques 4A des billes 4, au niveau d'orifices 4B ménagés à cet effet. Ainsi, la suite continue de billes T3 forme une chaîne à billes. Premier exemple de réalisation conforme à l'invention On utilise ici des chaînes à billes T3 (telles qu'illustrées sur la figure 3) en laiton nickelé (comprenant 30% de zinc). Le diamètre des billes 4 est approximativement de 2mm et l'épaisseur de leur coque 4A avoisine les 240�m. Afin de former un pion cylindrique en matériau cellulaire à base de billes, les chaînes à billes T3 sont tout d'abord disposées aléatoirement dans un moule cylindrique en alumine de diamètre intérieur 34mm et de hauteur 60mm. Les billes 4 en contact sont ensuite brasées entre elles au moyen d'une brasure eutectique cuivre-argent. On obtient alors, après avoir extrait du moule les chaînes T3, ledit pion cylindrique en matériau cellulaire d'un diamètre de 33,5mm et d'une hauteur de 40mm. Un tel pion peut être mis en oeuvre dans une structure adaptative capable à la fois de garder son intégrité en se déformant très peu sous de faibles contraintes et d'absorber des déformations importantes sous de fortes contraintes. Deuxième exemple de réalisation conforme à l'invention Dans cet exemple, on utilise des chaînes à billes T3 semblables à celles mises en oeuvre dans le premier exemple, ainsi qu'un tube extrudé en laiton CuZn36 présentant un diamètre intérieur de 32mm, lm diamètre 25 extérieur de 34mm et une hauteur de 40mm. Pour réaliser une pièce cylindrique composée en partie de matériau cellulaire à base de billes, on remplit simplement le tube extrudé de chaînes à billes T3 en les disposant de manière aléatoire dans celui-ci. Il est à noter qu'aucun assemblage (par brasage, collage, etc ...) des chaînes T3, entre elles ou avec le tube extrudé, n'est ici réalisé (les chaînes T3 restant ainsi libres de tout mouvement à l'intérieur du tube), bien qu'un tel assemblage permette d'augmenter de façon significative la quantité d'énergie dissipée par le tube en matériau cellulaire lorsqu'il est soumis à un écrasement. Troisième exemple de réalisation conforme à l'invention On utilise ici une unique chaîne à billes T3 en acier inox 316L d'une longueur de 100m et d'un diamètre de billes 4 de 3,6mm afin de recouvrir, du matériau cellulaire à base de billes de l'invention, la surface extérieure d'un carter de turbomachine de diamètre 15cm et de longueur 25cm. A cette fin, on bobine tout d'abord, sur plusieurs couches, l'unique chaîne à billes T3 autour du carter de turbomachine. La chaîne T3 ainsi enroulée est alors confinée au moyen de plaques en acier inox (de type 316L) qui sont ensuite soudées les unes aux autres pour conférer une unité à la structure. La couche de protection en matériau cellulaire à base de billes ainsi constituée a notamment pour fonction de contenir les pales de la turbo- machine en cas de rupture de la structure, dans le cadre d'applications à moyenne température (par exemple jusqu'à 600°C). Quatrième exemple de réalisation conforme à l'invention Dans cet exemple, des chaînes à billes T3 en alliage d'aluminium (de type AU4G) sont utilisées pour concevoir une nappe en matériau cel- lulaire à base de billes, le diamètre des billes 4 étant de 1 mm. A cette fin, on entrelace régulièrement des chaînes à billes T3 dans une nappe composée de fils de KEVLAR (marque déposée) pour constituer une nappe de billes. On répète cette opération plusieurs fois. On dispose alors d'un ensemble de nappes de billes que l'on superpose les unes sur les autres avant de les assembler de manière à obtenir une nappe de billes d'épaisseur égale à 15mm. La nappe (analogue à un tissu) ainsi obtenue présente, d'une part, de très bonnes propriétés en tension grâce aux fils de KEVLAR et, d'autre part, de très bonnes propriétés d'absorption d'impact de projectiles grâce aux chaînes à billes. Elle est notamment destinée à des applications de blindage léger (par exemple pour équiper des gilets pare-balles). Cinquième exemple de réalisation conforme à l'invention Dans cet exemple, qui est illustré par les figures 4A, 4B et 4C, on utilise des suites continues de billes T4 à T7 dans lesquelles, d'une part, lesdites billes présentent toutes le même rayon R et, d'autre part, la dis-tance d entre les centres de deux billes voisines d'une suite est égale à 4\J2/J3 fois ledit rayon R. Les billes des suites T4 à T7 peuvent être en acier inoxydable 316L. Comme l'illustre la figure 4A, une pluralité de suites T4 est entre-lacée avec une pluralité de suites T5 pour former une nappe N1. Dans la nappe N1, les suites T4 sont disposées en trame (ou en chaîne), alors que les suites T5 sont disposées en chaîne (ou en trame). De plus, dans cette nappe N1, chaque bille d'une suite T4 (ou T5) est disposée au centre de quatre billes appartenant à des suites T5 (ou T4) voisines. De façon analogue à ce qui vient d'être décrit pour la nappe N1, on réalise une nappe N2, semblable à cette dernière, avec les suites T6 et T7 (voir la figure 4B). Ensuite, comme l'illustre la figure 4C, les nappes N1 et N2 sont superposées de manière qu'une bille de la nappe N1 (ou N2) soit disposée au centre de quatre billes de la nappe N2 (ou Ni). On obtient alors une nappe composite N3, qui peut être rigidifiée par soudage ou frittage. Bien entendu, en empilant plusieurs nappes N1 et N2 ide la façon décrite ci-dessus, on peut réaliser des structures cubiques centrées. L'homme du métier comprendra qu'en définissant de façon appropriée les chaînes à billes (diamètre des billes et distance entre deux billes adjacentes), le type de tissage et en superposant différentes nappes, il est possible d'élaborer d'autres structures à base de billes conformes à l'in- vention. Par exemple, en faisant varier judicieusement le diamètre des billes et la distance entre les billes de deux nappes successives, on peut réaliser facilement des empilements réguliers de forme courbe pour habiller des carters de turbomachines. On notera en outre que le matériau cellulaire à base de billes de la présente invention peut également être mis en oeuvre dans la fabrication de . ù filtres pour des applications mécaniques, électrochimiques, électrostatiques, etc ... ; ù matériaux architecturés pour des applications multi fonctionnelle à dominante structurale : tenue mécanique et absorption acoustique, absorption des chocs et tenue en température, etc ... REVENDICATIONS1. Matériau cellulaire à base de billes, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau initial à base de billes (1, 4) deux à deux reliées les unes aux autres, de façon non jointive, en formant 5 au moins une suite continue (Ti à T7). 2. Matériau cellulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison entre deux billes (4) successives de ladite suite continue (T3) est une articulation (5) de sorte que ladite suite (T3) forme une chaîne à billes. 10 3. Matériau cellulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les billes (1) de ladite suite continue (Ti) sont deux à deux reliées les unes aux autres par l'intermédiaire d'un lien souple (2). 4. Matériau cellulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les billes (1) de la suite continue (T2) sont deux à 15 deux reliées les unes aux autres par l'intermédiaire d'une tige au moins partiellement rigide (3). 5. Matériau cellulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est composé d'au moins deux telles suites conti-20 nues (Ti à T7) reliées l'une à l'autre. 6. Matériau cellulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites billes (4) sont creuses. 7. Procédé pour la réalisation d'un matériau cellulaire à base de 25 billes (1, 4), caractérisé en ce qu'on utilise au moins une suite continue de billes (Ti à T7) dans laquelle lesdites billes (1, 4) sont deux à deux reliées les unes aux autres. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on bobine ladite suite continue de billes (T2, T3) au-tour de la surface latérale d'un objet servant de mandrin. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on dispose ladite suite continue de billes (T1 à T7) dans un moule. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on entrelace une pluralité de telles suites continues de billes (T4 à T7) les unes avec les autres de manière à former une nappe 1 o de billes (N1, N2). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on superpose au moins deux telles nappes de billes (N1, N2) pour obtenir une nappe composite (N3). 12. Procédé selon la revendication Il, 15 caractérisé en ce que, dans chaque nappe de billes (N1, N2), la distance (d) entre les centres de deux billes adjacentes d'une suite continue de billes est égale à 4\12h13 fois le rayon (R) d'une bille. 13. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on entrelace une pluralité de telles suites continues 20 de billes avec des liens de manière à former une nappe de billes. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce qu'on fixe lesdites billes (1, 4) en contact les unes aux autres.