Brevet FR2955398A1 — publié le 20110722

PROCEDE DE REALISATION D'UN MIROIR COMPOSITE ET MIROIR COMPOSITE OBTENU SELON LE PROCEDE DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un miroir composite. Elle concerne également un miroir composite obtenu selon ce procédé. La réalisation de miroirs optiques se heurte à la difficulté d'atteindre une précision optique stable en température, notamment aux courtes longueurs d'ondes pour un spectre correspondant aux longueurs d'ondes du rayonnement visible (de 400 nm à 700 nm) et pour le proche infrarouge. Cette précision optique doit être obtenue globalement et localement. En d'autres termes, elle doit être obtenue en chaque point du miroir et pour la forme générale de celui-ci. Le miroir doit être capable de fonctionner dans une large plage de températures allant de 20°C pour un satellite d'observation de la terre en orbite basse ou en orbite géostationnaire, jusqu'à moins 150°C pour l'observation de l'espace profond. Cette précision optique peut être obtenue avec le verre, notamment le verre commercialisé sous les marques Zérodur ou ULE, soit par le béryllium, soit par des matériaux céramiques tels que le carbure de silicium (SiC). Ces matériaux monolithiques répondent certes aux spécifications demandées. Ils présentent toutefois l'inconvénient d'être lourds. Leur masse surfacique va en effet de 20 à 50 kg/m2. Cela limite leur diamètre pour tenir le budget masse du satellite 2 et par suite, cela limite la surface du théâtre d'observation du sol ou du ciel. On connait par ailleurs (US 2003/0117730) un réflecteur céramique ultra léger et ultra rigide. Ce réflecteur est réalisé en carbure de silicium évidé pour réaliser un allégement. On connait également (FR 2 747 240) un procédé pour fabriquer un réflecteur d'antenne constitué d'un matériau composite renforcé par des fibres et ayant une haute qualité optique de surface. Le procédé décrit dans ce document consiste à infiltrer une résine entre une coque structurale et un moule. On connait enfin (EP 0 649 036) un réflecteur constitué d'un matériau sandwich. Toutefois, ces divers procédés ne permettent pas de fabriquer un miroir composite léger présentant des caractéristiques optiques optimales. La présente invention a pour objet un miroir qui remédie à ces inconvénients. Le procédé est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - prévoir une ébauche en verre à faible coefficient de dilatation ; - usiner une forme convexe dans l'ébauche en verre ; - draper une peau avant imprégnée de résine sur la forme convexe de l'ébauche en verre ; usiner dans une structure porteuse arrière une forme concave complémentaire de la forme convexe usinée dans l'ébauche en verre ; 3 - coller la forme concave de la structure porteuse sur la forme convexe de l'ébauche en verre ; - usiner une forme convexe sur la structure porteuse ; - draper une peau arrière imprégnée de résine sur un moule à faible coefficient de dilatation dont la forme correspond à la forme convexe de la structure porteuse ; - coller une peau arrière sur la forme convexe de la structure porteuse ; - retourner l'ensemble formé par l'ébauche en verre, la peau avant, la structure porteuse et la peau arrière, de telle sorte que l'ébauche se trouve en partie supérieure de l'ensemble ; - usiner et polir un miroir dans l'ébauche en verre. De préférence on revêt la surface du miroir d'une couche d'aluminium ou d'une couche d'argent sur laquelle on dépose une couche de silice. Dans une réalisation particulière, la structure porteuse est une structure en nid d'abeille. Avantageusement, cette structure porteuse peut être constituée de triangles équilatéraux juxtaposés. Avantageusement, la peau composite avant est fixée sur la forme convexe de l'ébauche en verre sans ajout d'adhésif de liaison autre que la résine d'imprégnation. L'invention concerne par ailleurs un miroir composite caractérisé en ce qu'il est constitué d'une structure porteuse ayant une première et une seconde face, d'une peau composite avant fixée à la première 4 face de la structure porteuse, d'une forme en verre à faible coefficient de dilatation fixée sur la peau avant, d'une peau composite arrière fixée à la seconde face de la structure porteuse. De préférence, la forme en verre à faible coefficient de dilatation est revêtue d'une couche d'aluminium ou d'une couche d'argent sur laquelle est déposée une couche de silice. Avantageusement, la structure porteuse est une structure en nid d'abeille. Cette structure porteuse peut être constituée de triangles équilatéraux juxtaposés. Dans un mode de réalisation préféré, la forme en verre à faible coefficient de dilatation est fixée à la peau avant sans ajout d'adhésif de liaison autre que la résine d'imprégnation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description qui suit faite en référence aux figures annexées. Sur ces figures : - les figures la à 1i illustrent les différentes étapes du procédé de l'invention ; - la figure 2 est une vue en plan d'un exemple de structure porteuse conforme à l'invention ; - la figure 3 est une vue en perspective de la structure porteuse de la figure 2 appliquée sur une forme convexe en verre ; - la figure 4 est une vue en coupe d'une partie de la structure d'un miroir composite conforme à l'invention. On a représenté sur la figure la une ébauche en verre 2 de forme cylindrique. Ce verre est un verre à faible coefficient de dilatation. Il s'agit par exemple de Zérodur®. Dans l'ébauche 2 on usine une 5 forme convexe 4, comme schématisée par les traits pointillés. A l'étape b on drape une peau avant composite constituée de fibre de carbone imprégnée de résine 6 sur la forme convexe de l'ébauche en Zérodur® 2 (voir également figure 3). La peau composite possède un coefficient de dilatation égal à celui du Zérodur®. Afin de fixer la peau avant 6 sur l'ébauche en Zérodur® 2 on peut procéder par liaison thermique, ionique ou par ultraviolet. On cuit ensuite l'ensemble si nécessaire. Dans un mode de réalisation préféré la peau composite avant 6 est fixée sur la forme convexe de l'ébauche 2 sans ajout d'adhésif autre que la résine d'imprégnation. A l'étape 1c on fabrique une structure porteuse 8. Cette structure porteuse est une structure intercalaire à base de fibre de carbone. On drape douze plis de 50 microns drapés à zéro degré et à plus ou moins 60° par rapport à la couche à zéro degré. Les fibres de carbone YSHSO® sont imprégnées d'une résine cyanate ester RS3. Le taux d'imprégnation est par exemple de 38%. Dans un autre mode de réalisation, la structure porteuse peut être constituée de triangles équilatéraux juxtaposés. On peut utiliser également un matériau disponible sur le marché susceptible de répondre aux 6 besoins tel que du nid d'abeille à base de fibres de carbone commercialisé sous la marque de fabrique ULTRACORE®, comme représenté sur la figure 2. On usine cette structure 8 de manière à réaliser une forme concave 10 dont la forme correspond à la forme convexe de la peau composite constituée de fibre de carbone 6. A l'étape 1d on a retourné la structure porteuse 8 et on est venu la placer sur la peau composite de fibre de carbone 6. On colle la structure 8 sur la peau en fibre de carbone 6. On usine l'arrière de la structure 8 de manière à réaliser une forme convexe comme schématisé par les pointillés 10. On peut usiner la structure 8 de manière que l'usinage soit parallèle à la forme de la peau 6. On peut également l'usiner de manière qu'elle présente une autre forme, par exemple une forme plus épaisse au centre que sur les bords. Parallèlement on procède au drapage d'une peau arrière 14 sur un moule à faible coefficient de dilatation, par exemple un moule en invar. Ce moule présente une forme convexe, comme représenté sur la figure le. Ou bien, il peut présenter une forme concave comme représenté sur la figure 1f. On cuit ensuite la peau arrière 14 si nécessaire, on démoule ensuite la peau arrière 14 et on vient la coller sur la structure porteuse 8 comme schématisé sur la figure 1g. Dans les deux cas la forme convexe ou concave de la peau arrière 14 correspond à la forme usinée 10 de la structure porteuse 8. 7 A partir de la position représentée sur la figure 1g l'ébauche en Zérodur® 2 étant en position inférieure, on procède à la retourne de l'ensemble constitué par l'ébauche en Zérodur®, la peau avant 6 la structure porteuse 8 et la peau arrière 14 pour aboutir à la position représentée sur la figure 1h. L'ensemble repose sur un berceau 18. Dans une variante de réalisation, ce berceau peut être constitué par le moule en invar de forme concave 16 représentée sur la figure 1f. On usine alors la face arrière de l'ébauche de Zérodur® 2 comme schématisé par les hachures de la figure 1h. On laisse une épaisseur de Zérodur® aussi faible que possible afin de diminuer au maximum le poids du miroir. A titre d'exemple cette épaisseur est comprise entre 0,5 et Imm. On polit ensuite l'ébauche usinée. Le polissage est l'étape qui permet la compensation des écarts de prédiction des déformées globale et locale. Une autre possibilité consiste à usiner et à polir non pas à la surface théorique mais à une surface modifiée de façon à ce que le miroir retrouve sa surface théorique à la température et à l'hygrométrie (0%) de service. On aboutit ainsi à l'étape finale représentée sur la figure 1i. La forme en verre à faible de coefficient de dilatation 2 est revêtue d'une couche d'aluminium ou d'une couche d'argent sur laquelle est déposée une couche de SiO2. 8 La structure est suffisamment rigide pour ne pas être altérée par la finesse des dépôts métallique et de silice. On a représenté sur la figure 2 une vue en coupe partielle d'une partie du miroir composite conforme à la présente invention. On trouve, de bas en haut, la peau arrière 14, la structure porteuse 8, la peau avant 6 supportant la couche de Zérodur 2 usinée et polie. Sur la couche de Zérodur 2 on trouve le dépôt d'aluminium ou d'argent et le dépôt de silice 18 on observe en outre que, dans l'exemple de réalisation, la structure porteuse 8 comporte des ajouts 20 destinés à réduire encore sa masse. La précision de forme et la stabilité thermique de la peau avant 6 est ajustée en lui conférant une séquence de drapage et un taux d'imprégnation de résine adapté de façon à obtenir un coefficient de dilatation thermique identique à celui du Zérodur®. La résine est par exemple un cyanate ester à faible taux de reprise hydrique. Liaison de la peau 6 avec le matériau de la structure porteuse 8 est réalisée au moyen d'un adhésif en quantité optimisée de façon à limiter les distorsions induites. La géométrie de la structure porteuse 8 est le résultat d'une optimisation globale. La structure porteuse peut être réalisée dans le même matériau, avec la même séquence de drapage que les peaux afin d'obtenir le même coefficient de dilatation thermique. Ce coefficient est approximativement de 0.02x10-6/°C. 9 Trois paramètres majeurs gouvernent la précision finale du miroir composite : - la précision de drapage des peaux 6 et 14 et la précision de l'isotropie du matériau de la structure porteuse 8. Cette précision peut être obtenue par une machine de drapage automatique ; le taux d'imprégnation en résine (cyanate) du pré-imprégné. En première approximation une précision de plus ou moins 1% est désirable ; - le cycle de cuisson. Il doit être adapté afin de minimiser les contraintes à terme enregistrées lors du refroidissement. On utilise des résines à faible température de cuisson, par exemple inférieures à 100° C, assorties d'un gradient thermique inférieur à 2°C. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un miroir composite, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : prévoir une ébauche (2) en verre à faible coefficient de dilatation usiner une forme convexe (4) dans l'ébauche en verre ; draper une peau avant (6) imprégnée de résine sur la forme convexe (4) de l'ébauche en verre (2) ; usiner dans une structure porteuse arrière (8) une forme concave (10) complémentaire de la forme convexe (4) usinée dans l'ébauche en verre (2) ; coller la forme concave (10) de la structure porteuse (8) sur la forme convexe de l'ébauche en verre ; - usiner une forme convexe (12) sur la structure porteuse draper une peau arrière (14) imprégnée de résine sur un moule (16) à faible coefficient de dilatation dont la forme correspond à la forme convexe de la structure porteuse coller la peau arrière (14) sur la forme convexe (12) de la structure porteuse (8) retourner l'ensemble formé par l'ébauche en verre (2), la peau avant (6), la structure porteuse (8) et la peau arrière 11 (14) de sorte que l'ébauche (2) se trouve en partie supérieure de l'ensemble ; usiner et polir un miroir dans l'ébauche en verre (2). 2. Procédé de réalisation d'un miroir selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on revêt la surface du miroir d'une couche d'aluminium ou d'une couche d'argent (18) sur laquelle on dépose une couche de silice. 3. Procédé de réalisation d'un miroir selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure porteuse (8) est une structure en nid d'abeille. 4. Procédé de réalisation d'un miroir selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure porteuse (8) est constitué de triangles équilatéraux juxtaposés. 5. Procédé de réalisation d'un miroir selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la peau composite avant (6) est fixée sur la forme convexe (4) de l'ébauche en verre sans ajout d'adhésif de liaison autre que la résine d'imprégnation. 6. Miroir composite, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une structure porteuse (8) ayant une première et une seconde face, d'une peau 12 composite avant (6) fixée à la première face de la structure porteuse, `une forme en verre (2) à faible coefficient de dilatation fixée sur la peau avant (6), d'une peau composite arrière (14) fixée à la seconde face de la structure porteuse (8). 7. Miroir composite selon la revendication 6, caractérisé en ce que la forme en verre à faible coefficient de dilatation (2) est revêtue d'une couche d'aluminium ou d'une couche d'argent sur laquelle est déposée une couche de SiO2 (18). 8. Miroir composite selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la structure porteuse (8) est une structure en nid d'abeille. 9. Miroir composite selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la structure porteuse (8) est constituée de triangles équilatéraux juxtaposés. 10. Miroir composite selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la forme en verre à faible coefficient de dilatation (2) est fixée à la peau avant (6) sans ajout d'adhésif de liaison autre que la résine d'imprégnation.