Brevet FR2945338A1 — publié le 20101112

-1- La présente invention concerne un dispositif d'absorption d'énergie en matériau composite sandwich à ponts orientés. Elle s'applique par exemple pour la protection de véhicules ou de bâtiment contre des agressions de type souffle, impact, crash, choc, explosion accidentelle .... Une solution de protection consiste à équiper les structures d'un panneau de protection supplémentaire susceptible de résister aux efforts générés par une explosion de mine, un souffle, un crash, un impact et/ou de se déformer afin d'absorber une partie de l'énergie due à l'agression. Les dispositifs d'absorption d'énergie équipent divers types de structures ou de matériels. A titre d'exemple pour les véhicules: Les véhicules militaires (engins blindés ou non roulants, ou navires) susceptibles d'évoluer en territoire hostile, en mission de reconnaissance par exemple, sont équipés d'une protection contre le souffle, mine et/ou les impacts. II est de même pour les véhicules civils pour lesquels une protection absorbant l'énergie d'un crash, d'un souffle et les projectiles associés est utilisée (tramways, trains, bus, voitures...) A titre d'exemple pour les matériels: Les enceintes de protection contenant des matériels dangereux (à savoir des munitions, des colis piégés ou des réservoirs sous pression), susceptibles de se trouver dans un endroit mettant en danger la sécurité de personnes, sont équipés d'une protection absorbant l'énergie et les éventuels projectiles projetés. Le but premier de ces dispositifs est de protéger efficacement contre les agressions mettant en jeu de fortes ou des faibles ondes de pression, notamment le souffle ou le choc basse vitesse en absorbant la majorité de l'énergie de l'agression par déformation et rupture du dispositif. Etat de l'art: Les protections actuelles pour les agressions de type souffle, explosions, mines sont variées et divisées en deux familles de solution. Une première solution, décrite dans les brevets EP0897097, W02004088238, W02006105280 est un dispositif constitué de panneaux sandwiches réalisés par insertion d'un matériau déformable comme une épaisseur de mousse, et/ou des feuilles plastiques, et/ou 2945338 -2- structure type nid'abeille, entre deux panneaux rigides métalliques ou matériaux organiques (renforts tissés et matrice par exemple, ou polyuréthane). Une deuxième solution décrite dans les brevets FR2867554, FR2854685 est un dispositif de forme particulière permettant de dévier le souffle dû à l'explosion 5 d'une mine ou autre en supportant des contraintes élevées. Ces dispositifs sont avantageux dans le cas d'agression dirigée, type mine mais inutilisable pour les agression mufti-directionnelle. Les protections actuelles pour les agressions de type impact, crash, chocs sont 10 diverses et variées. Une première solution, décrite dans le brevet EP0955211, est un dispositif d'assemblage de matériaux absorbants dont les capacités d'absorption sont fortement augmentées par rapport à leur capacité unitaire lorsqu'ils sont associés, exemple association de ePTFE et d'un élastomère type EVA. Une deuxième solution, décrite dans le brevet EP1404549, est un dispositif 15 de matériau composite déformable, comme les structures en nid'abeille, qui se comprime sous le choc, l'impact ou le crash, en s'écrasant. Un inconvénient majeur de ces principes de protection est que pour chaque type d'agression (de la plus forte à la moins importante) un dispositif lui est associé. 20 Les principes de protection contre le souffle sont difficilement adaptables pour des chocs de très faibles énergie, et vis versa. Un autre inconvénient pour les protections contre le souffle, mine ou explosion tient à leur poids et à leur faible maniabilité car ils mettent en jeu des matériaux métalliques. En particulier les matériaux constituant ces panneaux ainsi que leurs 25 épaisseurs nécessaires donnent à l'ensemble un poids important doublé d'un manque de souplesse d'utilisation. Un autre inconvénient, lié directement au précédent, réside dans le manque d'adaptation de ces dispositifs à des formes plus ou moins complexes. Du fait de la nature des matériaux mis en oeuvre, le formage et la mise en forme selon des 30 rayons de courbure n'est pas envisageable, ce qui limite les formes possibles, en particulier les formes arrondies à faible rayon sont exclues. Description de l'invention: Un des objectifs de l'invention présentée est notamment de pallier les inconvénients précités en terme de : • adaptabilité du pouvoir absorbant à l'intensité de l'énergie à absorber 5 • réduction du poids • possibilité de mise en forme (réalisation en 1 opération de protection en forme avec gestion des rayons et courbures) • facilité de manutention et de remplacement A ceci, l'invention ajoute une excellente capacité d'absorption et de dissipation de 10 l'énergie générée par des fortes comme des faibles pressions L'invention a pour objet un dispositif de protection d'absorption d'énergie, comportant au moins trois couches de matériaux sandwich à ponts orientés formant une même pièce obtenue par moulage par transfert de résine. 15 Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif est une succession de couches composées de ponts orientés. Le principe de base de l'absorbeur d'énergie qui fait l'objet de ce brevet repose sur la dissipation d'énergie par rupture de ponts orientés, des couches successives. 20 Dans la première couche le sandwich est par exemple composé d'un assemblage de fibres tissées en deux dimensions, la chaîne et la trame faisant entre elles un angle inférieur ou égal à 90°, d'une mousse structurelle en matériau d'âme, de fibres tissées en trois dimensions. Cet assemblage est solidarisé via un pontage 25 3D, traversant la mousse de part en part. Dans un mode de réalisation particulier, la première couche, orientée vers l'onde de pression, est composée de tissu de fibres d'aramide et/ou fibres de verres. La deuxième couche sandwich est par exemple composée de fibres tissées en 30 deux dimensions, la chaîne et la trame faisant entre elles un angle inférieur ou égal à 90°, positionnées sur chaque face d'une mousse non structurelle en matériau d'âme, l'ensemble est assemblé via un pontage 3D. Les tissus peuvent être en fibres de verres. 2945338 -4- La troisième couche sandwich est par exemple composée de fibres tissées en deux dimensions, la chaîne et la trame faisant entre elles un angle inférieur ou égal à 900, positionnées sur chaque face d'une mousse structurelle en matériau d'âme, l'ensemble est assemblé via un pontage 3D. Les tissus peuvent être en fibres de verres. La couche centrale joue le rôle d'absorbeur d'énergie. Les deux autres couches assument le rôle de répartiteur d'efforts pour augmenter la performance de l'absorption d'énergie. Chaque couche comporte un empilement de matériaux, le nombre de couches de tissu et l'épaisseur de l'âme dépendant de l'épaisseur souhaitée. Dans un mode de réalisation particulier, l'épaisseur de la troisième couche est moitié de l'épaisseur de la première couche. L'épaisseur de la deuxième couche 15 est au moins trois fois l'épaisseur de la troisième couche. La densité de ponts, l'orientation et la hauteur des ponts est dépendant de l'énergie à absorber. Le nombre de couches totales est dépendant de l'énergie à absorber. Le nombre minimum est de trois. En fonction de l'énergie ce nombre minimum ce voit 20 augmenter d'un multiple de 2 couches. Par exemple, pour un empilement de cinq couches, les trois premières sont celles décrites précédemment auxquelles vient se rajouter une quatrième couche proche de la deuxième couche décrite. La cinquième couche sera proche de la troisième décrite. Les matériaux des pontages 3D peuvent-être des fibres de verres ou de lin. 25 Avantageusement, la résine peut-être une résine phénolique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure la et lb, un exemple de panneau d'absorption d'énergie selon l'art 30 antérieur ; la figure 2, un exemple d'assemblage de panneaux du type de la figure 1 pour former une structure protectrice la figure 3, un exemple de réalisation possible d'un dispositif de protection selon l'invention ; 2945338 -5- les figures 4, une illustration du principe de réalisation d'un tissage à trois dimensions ; les figures 5, une illustration des principes de réalisation d'un assemblage à pontage 3D; 5 la figure 6, une illustration des principes de réalisation d'un assemblage à pontage 3D à n couches; La figure la présente un exemple de panneau d'absorption d'énergie (1) selon l'art antérieur. Ce panneau comporte plusieurs couches 11, 12, 13, 14 juxtaposées, 10 fixées entre elles par des couches jointives de colle 10 ou des goujons filetés 15, figure lb. La couche extérieure est par exemple en matériau de type céramique alors que la couche 12 est en acier, la couche 13 en matériau de type sandwich métallique ou mousse, la couche 14 en matériau de type composite. Selon l'épaisseur, notamment de cette couche 12, le panneau est plus ou moins lourd. Dans tous les cas d'application, son poids est un obstacle. Les couches 11,12 peuvent par ailleurs lors de l'impact des éléments projetés produire des effets arrières tels que des éclats. Ces effets sont généralement nuisibles voire dangereux pour l'environnement, en particulier pour les personnes. La figure 2 présente un assemblage de panneaux 1 du type de celui de la figure 1 pour une application d'un matériel 21. L'assemblage réalisé épouse autant que possible la forme de ce matériel 21, mais de façon non optimale. Les deux panneaux sont reliés entre eux au niveau de leurs tranches en formant un angle saillant 22 en raison du contour adopté. La figure 3 présente un exemple de réalisation possible d'un dispositif d'absorption d'énergie selon l'invention. Le dispositif est représenté par une vue partielle en coupe. La partie représentée est plane mais elle peut avantageusement prendre toutes sortes d'autres formes. Le panneau de la figure 3 est formé d'un empilement de matériau composite sandwich monobloc comportant trois couches 31, 32, 33 solidaires réalisées dans un même moule. La première couche 31 est disposée du côté de la menace, en l'occurrence l'arrivée de l'onde de pression 30. Cette première peut être une couche sandwich 2945338 -6- par exemple, composée de fibres tissées en trois et/ou deux dimensions, composée par exemple de fibres d'aramide, de verre ou de polypropylène noyée dans de la résine. Les fibres sont préalablement tissées à sec selon un tissage en trois et/ou deux dimensions. Une âme en mousse espace les renforts tissés et est 5 nécessaire pour obtenir l'épaisseur souhaitée de la couche 31 obtenue par moulage par transfert de résine, comme cela sera décrit par la suite. La figure 4 illustre le principe de réalisation d'un tissage à trois dimensions, respectivement par une vue en coupe. Classiquement, les mailles se croisent selon les trois dimensions. La figure montre un exemple où les fils de la trame et 10 de chaîne se croisent perpendiculairement dans le plan de l'épaisseur du renfort. Le tissage où les fils se croisent selon un angle de 90°, dans le plan horizontale. La figure 5 illustre le principe de réalisation d'un assemblage à pontage 3D. Un fil 54 en matériau fibreux lie les renforts tissés 51, par exemple illustré figure 4, et les renforts 53 en traversant l'âme en mousse 52. Ce fil est composé de plusieurs 15 filaments. Le matériau peut être par exemple, du verre, du basalte, de l'aramide, du lin ou du polypropylène. La densité de filament peut être par exemple de l'ordre de 600 à 3000Tex. La densité de ponts et leur inclinaison ainsi que la répartition de la pression souhaitée peuvent être déterminées a priori afin d'obtenir l'absorption souhaitée. 20 L'inclinaison des ponts peut être orientés selon un angle inférieur ou égale à 90°, compris par exemple entre 45° et 90°. Cette première couche peut être aussi, par exemple composée de fibres tissées en trois et/ou deux dimensions, composée par exemple de fibres d'aramide, de 25 verre ou de polypropylène noyée dans de la résine. Les fibres sont préalablement tissées à sec selon un tissage en trois et/ou deux dimensions. L'empilement de renforts est nécessaire pour obtenir l'épaisseur souhaitée de la couche 31 obtenue par moulage par transfert de résine, comme cela sera décrit par la suite. 30 Le nombre de renforts superposés avec ou sans l'épaisseur de la mousse pour obtenir l'épaisseur souhaitée peut être déterminé a priori. L'épaisseur de la couche 31 peut être de inférieure ou égale à 20mm,, compris par exemple entre 5mm et 20mm. 2945338 -7- Cette première couche permet de répartir l'onde de pression, elle absorbe une partie de l'énergie. Elle contient les éléments projetés par l'onde de pression. La deuxième couche 32 est une couche sandwich par exemple composé de fibres 5 tissées en deux dimensions, composée par exemple de fibres d'aramide, de verre ou de polypropylène noyée dans de la résine. Les fibres sont préalablement tissées à sec selon un tissage en deux dimensions. Une âme en mousse espace les renforts tissés et est nécessaire pour obtenir l'épaisseur souhaitée de la couche 32 obtenue par moulage par transfert de résine, comme cela sera décrit 10 par la suite. Le principe de réalisation de l'assemblage à pontage 3D de la couche 32 est représenté figure5. La densité de filament peut être par exemple de l'ordre de 300 à 2000Tex. La densité de ponts et leur inclinaison pour obtenir l'absorption souhaitée peuvent 15 être déterminées a priori. L'inclinaison des ponts peut être orientés selon un angle inférieur ou égale à 90°, compris par exemple entre 20° et 90°. Le nombre de renforts superposés et l'épaisseur de la mousse pour obtenir l'épaisseur souhaitée peut être déterminé a priori. 20 Cette première couche permet de répartir l'onde de pression, elle absorbe une partie de l'énergie. Elle contient les éléments projetés par l'onde de pression. Cette deuxième couche a un rôle prépondérant dans la mesure où elle absorbe la majorité de l'énergie de l'onde de pression. En ce qui concerne l'épaisseur, elle est aussi adaptée à l'amplitude de l'onde de pression et notamment à son énergie. 25 Une épaisseur de l'ordre de 20 à 50 millimètres peut être nécessaire. La troisième couche 33 peut être une couche sandwich par exemple composée de fibres tissées en deux dimensions, composée par exemple de fibres d'aramide, de verre ou de polypropylène noyée dans de la résine. Les fibres sont préalablement 30 tissées à sec selon un tissage en trois et/ou deux dimensions. Une âme en mousse espace les renforts tissés et est nécessaire pour obtenir l'épaisseur souhaitée de la couche 33 obtenue par moulage par transfert de résine, comme cela sera décrit par la suite, La figure 5 illustre le principe de réalisation d'un assemblage à pontage 3D. 2945338 -8- La densité de filament peut être par exemple de l'ordre de 600 à 3000Tex. La densité de ponts et leur inclinaison ainsi que la répartition de la pression souhaitée peuvent être déterminées a priori, afin d' obtenir l'absorption souhaitée. L'inclinaison des ponts peut être orientés selon un angle (par rapport au plan 5 horizontal de la couche) inférieur ou égale à 90°, compris par exemple entre 45° et 90°. Cette troisième couche peut être aussi, par exemple composée de fibres tissées en trois et/ou deux dimensions, composée par exemple de fibres d'aramide, de 10 verre ou de polypropylène noyée dans de la résine. Les fibres sont préalablement tissées à sec selon un tissage en trois et/ou deux dimensions. L'empilement de renforts est nécessaire pour obtenir l'épaisseur souhaitée de la couche 33 obtenue par moulage par transfert de résine, comme cela sera décrit par la suite. 15 Le nombre de renforts superposés avec ou sans l'épaisseur de la mousse pour obtenir l'épaisseur souhaitée peut être déterminé a priori. Cette dernière couche permet de répartir l'onde de pression, elle absorbe une partie de l'énergie. En particulier, cette troisième couche 33 encaisse la déformation résiduelle, 20 stoppe l'onde de pression. Elle apporte notamment la résistance avec la continuité de la matière, par dissipation des contraintes mécaniques dans toute la face arrière. La troisième couche 33 a par exemple une épaisseur de l'ordre de la moitié de l'épaisseur de la deuxième couche 31. 25 Les épaisseurs des couches sont adaptées au niveau de protection recherchée. D'autres couches peuvent être additionnées par superposition au trois couches 31, 32, 33 pour adapter la protection au niveau de protection recherché. La figure 6 illustre le principe de réalisation d'un assemblage à pontage 3D à n 30 couches. Le nombre minimum de couches est de trois, figure 3. La couche 61 peut être composée par le même principe que la couche 32, illustrée par la figure 5. La couche 33 est additionnée à la couche 61 pour fermer l'empilement. Par exemple, un empilement de cinq couches augmentera le niveau de protection. 2945338 -9- L'ajout d'une couche 6n associée à une couche 33 permet d'adapter le niveau de protection. La couche 6n peut être composée par le même principe que la couche 32, illustrée par la figure 5. La technique de mise en oeuvre pour la fabrication du caisson composite qui fait l'objet de ce dépôt de brevet, fait appel à une technologie "voie humide". Le principe de la technique consiste en l'imprégnation de renforts secs par une résine liquide (de viscosité pouvant varier). Cette imprégnation peut être réalisée par injection RTM (avec ou sans assistance du vide), par infusion (dans le plan ou transverse), par compression ou stratification manuelle. La résine utilisée peut être de la résine époxyde ou de la résine phénolique ou tout autre type de résine en fonction des propriétés recherchées. Dans le bilan global de la masse d'un dispositif selon l'invention, la gestion du ratio taux de renfort, taux de résine constitue un élément clé dans la recherche de l'absorption d'énergie. Une telle structure permet d'obtenir un gain de poids très important tout en assurant un bon pouvoir absorbant comme l'ont démontré les essais et les simulations numériques réalisés par les déposants.