Brevet FR3029833A1 — publié le 20160617

- 1 - La présente invention a pour objet un procédé d'obtention de structures raidies telles que les panneaux anisotropes intégrant des fonctions mécaniques et thermiques ainsi que l'âme et les peaux obtenues. L'utilisation de structures anisotropes sandwich élancées telles que les panneaux 5 sandwich permettent d'obtenir intrinsèquement des rigidités importantes en limitant la masse, en sorte qu'elles intéressent particulièrement l'industrie aéronautique, spatiale et navale pour fabriquer des structures primaires comme des caissons de voilures, des murs de satellites, des mats. Les panneaux sandwich sont généralement des ensembles d'épaisseur variable, 10 assemblés par collage, composés d'une peau inférieure mince (1), d'une âme épaisse (2) et d'une peau supérieure mince (3). Les peaux sont obtenues à partir de tôles métalliques ou de matériaux en fibres de carbone ou fibres de verre. Les âmes sont obtenues à partir de mousses synthétiques expansées ou pour les applications à fortes sollicitations mécaniques, en Nid d'Abeille (NIDA) pouvant être micro perforé pour les applications aérospatiales. 15 Afin d'assurer des liaisons mécaniques sur un élément de structure ou de voilure d'aéronef ou sur un mur de satellite ou sur un mat de voilier, des inserts métalliques ou composites en fibres de carbone sont rapportés à l'intérieur des panneaux sandwich par collage à chaud ou à froid selon le besoin (fig 3, 4 et 5). Les équipements ou les panneaux sandwich sont assemblés entre eux à l'aide de vis. Ces assemblages sont aussi assurés selon 20 les besoins par collage de cornières en matériaux composites. Dans certaines applications aéronautiques et spatiales nécessitant de drainer fortement les calories d'une zone vers une autre, des accessoires sont employés tels que des caloducs (9) contenant un fluide caloporteur ou des tresses thermiques ou des radiateurs ou des cellules Pelletier. Ces dit caloducs (11) et radiateurs sont disposés par collage sur les peaux (10), soit à 25 l'extérieur des panneaux, soit à l'intérieur. Le procédé de fabrication actuel des panneaux sandwich multi fonctionnel mécanique et thermique repose sur le collage des différents constituants entre eux : - Les peaux (1, 3) sur les âmes (2), - Les inserts (6) à l'intérieur des panneaux (8), soit à fleur de peau soit légèrement 30 au-dessus de la peau ; il s'agit alors d'insert collerette (7), - Les caloducs (9) à l'intérieur des panneaux (10) côté âme ou à l'extérieur des panneaux sur les peaux, - Les radiateurs sur les peaux sur les faces extérieures du panneau. Ces collages ont, pour la plupart, lieu sous pression et/ou sous vide, à froid ou à haute 35 température, nécessitant l'emploi de presse chauffante ou d'autoclave. 3029833 2 Mécaniquement, les peaux ont pour but de reprendre les efforts de membrane parallèles au plan du panneau, et les efforts de flexion. Ces flux de forces sont souvent importants et nécessitent de renforcer localement les peaux en les épaississant à l'aide de 5 doubleurs internes ou externes aux peaux. Ces doubleurs sont généralement rapportés par collage après assemblage du panneau sandwich. Mécaniquement, le rôle de l'âme est de reprendre les flux d'effort de cisaillement appliqués au panneau, de maintenir les peaux à égale distance les unes des autres, d'éviter le flambement des peaux et du panneau. Toutefois, la présence de cette âme n'est pas utile sur la 10 totalité de la surface du panneau. La résistance et la ténacité des peaux (1, 3) sur l'âme (2) sont dégradées par rapport aux caractéristiques des matériaux métalliques ou composites fibres de carbones employés par l'ajout de colle entre les peaux et l'âme sur toute la surface du panneau. Les zones du panneau sandwich très fortement sollicitées par les efforts de traction 15 multiaxiaux, les moments de flexion et les forces de cisaillement, se trouvent au droit des assemblages vis/insert. Cela nécessite de disposer des densifications de l'âme avec des alvéoles de Nid d'Abeille plus petites et d'épaisseur plus importante (18), d'ajouter des renforts de peaux de dimensions et d'épaisseurs variables. La résistance et la ténacité de ces zones sont dégradées par rapport aux caractéristiques des 20 matériaux métalliques ou composites fibres de carbones employés par l'apport de colle nécessaire aux assemblages. Thermiquement, les peaux d'un panneau sandwich assurent des fonctions d'échanges par conduction, par radiation ou plus rarement par convection. Dans ce cas, l'apport de colle pour assembler les peaux à l'âme, pour fixer les caloducs et les radiateurs, altèrent fortement 25 les caractéristiques des matériaux utilisés, de telle sorte qu'il faut employer des colles chargées en particules de métaux précieux comme l'or, l'argent par exemple pour permettre une bonne conductivité thermique. Ainsi, il a été constaté que selon la nature des matériaux qui les composent, les panneaux anisotropes sandwich sont plus ou moins performants vis à vis des sollicitations 30 mécaniques ou des sollicitations thermiques, et qu'un compromis insuffisant doit toujours être trouvé. Il a été constaté que, pour la plupart, les panneaux sandwich fabriqués pour le domaine aéronautique, spatial et naval, sont constitués d'une âme de nature unique et homogène, de géométrie uniforme et répétitive, y compris dans les zones fortement contraintes 35 mécaniquement. 3029833 - 3 - Il a été constaté également que, pour la plupart, les panneaux sandwich ont leurs propriétés mécaniques globales dégradées par l'apport de colles nécessaires aux divers assemblages peaux/âmes, vis/inserts, caloducs/peaux, radiateurs/peaux. Il a été constaté également que, pour la plupart, les panneaux sandwich intégrant des 5 fonctions thermiques, les formulations de colles utilisées sont difficiles à mettre en oeuvre, coûteuses de par leur composition incluant des métaux précieux ou des NanoTube Carbone métallisés, et ont de très faibles résistances mécaniques. Il a été constaté également que, pour la plupart, les panneaux sandwich sont plans ou faiblement courbés et que dans ce cas les procédés de fabrication sont longs, délicats et 10 complexes. Il a été constaté que, pour la plupart, la fabrication des panneaux sandwichs nécessite des décapages de surfaces manuelles ou chimiques, employant des produits très toxiques tels que l'acide sulfo-chromique ou la désoxydation SOCOSURF®. Il a été constaté également que dans le cas de peaux en matériaux composites fibres de 15 carbone ainsi que pour les colles employées, les exigences de traçabilité imposent de grandes précautions dans les contrôles entrée matière, le suivi des dates de péremption, les contrôles de préparation des colles et des surfaces, le contrôle des temps de mise en oeuvre de ces matières et adhésifs. Enfin pour les applications spatiales il faut de plus dégazer les colles. La présente invention repose sur une phase initiale d'ingénierie en optimisation 20 topologique numérique des structures et d'analyse fonctionnelle, suivi de l'usage des techniques de fabrications additives par frittage laser ou par faisceau d'électron de poudres métalliques ou de matériaux synthétiques. La présente invention a pour but de proposer un procédé de conception, de fabrication et d'obtention simultanée sans emploi d'une quelconque colle : 25 - des peaux supérieures, inférieures et intermédiaires de panneaux anisotropes sandwich, métalliques ou en matériaux composites selon les besoins en reprise d'efforts mécaniques, de fortes rigidités et de faibles masses, - d'une âme de panneau anisotrope, ou de plusieurs âmes de natures variables, continues ou discontinues, de géométries variables et de densité variable sur l'ensemble de la 30 structure, selon les besoins en reprise d'efforts mécaniques ou de drainages thermiques locaux ou globaux, - d'inserts métalliques ou composites, de formes variables et optimisées, de compositions métallurgiques ou d'alliages variables par rapport aux peaux, ou de densité de charges métalliques variables dans le thermoplastique, selon les besoins en 35 reprise d'efforts mécaniques ou de drainages thermiques locaux, 3029833 - 4 - - de caloducs de capacités variables, rectilignes ou courbes, pouvant serpenter à la manière d'un réseau dans le plan (2D) du panneau anisotrope mais aussi pouvant joindre les peaux supérieures et inférieures (3D), selon les besoins de drainages thermiques globaux et locaux. Le procédé de fabrication du panneau anisotrope raidi intégrant les fonctions mécaniques et thermiques selon l'invention, se caractérise essentiellement en ce qu'il consiste à réaliser les étapes suivantes : - fabriquer la peau inférieure en des dimensions choisies en matériau métallique ou composite à matrice thermoplastique renforcé de charges métalliques, - élever l'âme en des dimensions choisies, en des formes variables juxtaposées ou non, en des densités variables, en les mêmes matériaux et alliages que la peau inférieure ou dans des dosages métallurgiques ou composants variables par apport de matière métallique ou thermoplastique en fusion, - élever simultanément en la construction de l'âme, localement selon les fonctions mécaniques à assurer les zones densifiées ou massives représentatives des jonctions vissées (inserts), en des dimensions choisies, en les mêmes matériaux et alliages que la peau inférieure ou dans des dosages métallurgiques ou composants variables par apport de matière métallique ou thermoplastique en fusion, - élever simultanément en la construction de l'âme, localement selon les fonctions thermiques à remplir les caloducs ou drains thermiques, en des dimensions choisies de formes variables dans leurs plans et hors de leurs plans, en les mêmes matériaux et alliages que la peau inférieure ou dans des dosages métallurgiques ou composants variables par apport de matière métallique ou thermoplastique en fusion, - d'ajouter la peau supérieure en des dimensions choisies, en les mêmes matériaux et alliages que la peau inférieure ou dans des dosages métallurgiques ou composants variables par apport de matière métallique ou thermoplastique en fusion, Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, l'âme peut avoir des formes ou des profils différents sur l'ensemble de la surface du panneau anisotrope (fig 12) : en « tasse de café », en épingle, en cylindre plein ou creux, en triangle, en carré, en hexagone comme le Nid d'Abeille classique, et ces sections peuvent avoir des épaisseurs variables suivant la normale au plan de pose. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les différentes formes d'âmes ainsi obtenues peuvent être disposées selon les besoins de résistance mécanique (fig 9), juxtaposées les unes aux autres ou non, sur l'ensemble de la surface du panneau anisotrope. 3029833 - 5 - Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les zones densifiées aptes à recevoir et à assurer des fonctions mécaniques peuvent être disposées selon les besoins de résistance mécanique (fig 10), localement ou sur l'ensemble de la surface du panneau anisotrope, en des formes cylindriques de diamètre constant (6) suivant la normale au 5 plan de pose (fig 4), ou en des formes avec collerettes (7) ou en des formes en « X plein» plus ou moins prononcées permettant ainsi de mieux répartir la transition des efforts de cisaillement et de traction aux peaux du panneau. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les zones densifiées aptes à recevoir et à assurer des fonctions thermiques peuvent être disposées selon 10 les besoins globaux ou locaux de dissipation et également selon des contraintes d'aménagement, sur l'ensemble de la surface du panneau anisotrope, en un réseau plan 2D serpentant sur et/ou sous les peaux, ou en un réseau en 3Dimensions serpentant entre les peaux inférieure et supérieure ou intermédiaire (fig 10). Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les 15 propriétés mécaniques, thermiques ou les deux ensembles, peuvent être ajustés par zones grâce à des gradients métallurgiques obtenus en faisant varier au cours de la fabrication les pourcentages métallurgiques de l'alliage employé, ou de matériaux métalliques ou thermoplastiques chargés, rendant ainsi le panneau anisotrope multi matériaux. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les 20 préparations de surfaces et les collages de peaux, d'inserts, de caloducs, sont supprimées. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les assemblages en 3Dimensions de panneaux anisotropes de type sandwich intégrant les fonctions mécaniques et thermiques, sont effectués en une seule opération sans utiliser une presse chauffante ou un autoclave. 25 Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les phases de contrôle après polymérisation des colles sont supprimées et remplacées par un seul contrôle final par Tomographie X. Les avantages et les caractéristiques du procédé selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente 30 un mode de réalisation non limitatif. Les figures (1) à (7) présentent le mode d'assemblage actuel d'un panneau raidi intégrant des fonctions mécaniques et thermiques. Les figures (8) à (13) montrent ce que devient la construction d'un panneau sandwich par la fusion de poudres métalliques alliées, avec une variation des pourcentages métallurgiques des 35 alliages selon la zone et selon la fonction mécanique et/ou thermique à assurer, avec l'âme du 3029833 - 6 - panneau sandwich de forme et de densité quelconque et adapté au besoin de résistance mécanique. Dans le dessin annexé : - La figure (1) représente une vue en éclaté de la composition classique d'un panneau sandwich avec la peau inférieure (1), la peau supérieure (3) et l'âme centrale (2). Il peut y avoir des peaux intermédiaires et des âmes intermédiaires non représentées. La figure (2) représente le panneau anisotrope sandwich assemblé (4) par la technique classique de collage des peaux sur l'âme. La figure (3) représente le panneau sandwich dans lequel un ou plusieurs alésages (5) et des détourages sont réalisés aux endroits de la structure devant recevoir les liaisons mécaniques pour supporter des équipements ou pour joindre un panneau adjacent. La figure (4) représente un exemple d'insert cylindrique qui vient prendre place dans l'alésage (5) effectué au préalable dans le panneau sandwich. L'insert peut être de forme très variable selon l'architecture de la structure et des besoins en reprise d'efforts. L'insert est pourvu d'un fût (6) massif permettant soit de visser ou soit de laisser passer une vis, et il est respectivement taraudé ou alésé. L'insert peut avoir en partie basse et/ou haute une collerette (7) qui répartie le torseur des forces sur les peaux. La figure (5) montre l'insert implanté par injection de colle dans le panneau sandwich préalablement fabriqué et alésé. Le panneau intègre la fonction mécanique (8). La figure (6) schématise un caloduc rectiligne (9) qui se caractérise par une géométrie extérieure plane pour permettre les collages sur les zones planes et creuse à l'intérieur pour permettre le passage du fluide caloporteur (généralement de l'ammoniac). La figure (7) représente le caloduc rectiligne (9) implanté dans le panneau sandwich (10) qui intègre alors la fonction thermique, le caloduc étant collé à la peau inférieure sur cette figure (11). Le collage du caloduc a lieu au préalable sur les peaux. Ensuite les peaux sont collées à l'âme. Les fonctions mécaniques peuvent être ajoutées ensuite telles que décrites en figures (4) et (5). L'insert (12) est rapporté par collage dans le panneau sandwich (10). Les figures (8, 9, 10 et 11) montrent comment sur une peau fabriquée (15, 16, 17) sur place par la technologie additive de poudres métalliques en fusion ou préalablement approvisionnée, se rapportent successivement par strates mais simultanément d'un point de vue fonctionnel : o l'âme (18, 19, 20) de géométrie et de densité et de nature variable, 5 - - 10 - 15 - 20 - - 25 30 - 3029833 - 7 - o le ou les inserts (21, 22, 23) de géométries, de nature variable, de dosage métallurgique et de pourcentage d'alliage différents des peaux et des âmes, o le ou les caloducs (24, 24bis) de forme variable dans le plan 2D ou hors du plan pour rejoindre les peaux inférieure et supérieure ou rejoindre un panneau 5 sandwich adjacent non coplanaire ou incliné, o la peau supérieure (25) soit par fusion laser de poudres métalliques, soit par soudage laser d'une peau fabriquée au préalable. Les repères (13, 14) représentent à différent stade de la fabrication l'apport de couches successives de matière métallique en fusion ou le faisceau laser qui vient faire fondre 10 la poudre métallique disposée sous forme de lit de poudre. - La figure (12) montre différents types de géométries non limitatives qui sont être envisagés pour composer l'âme du panneau sandwich selon les résultats des analyses numériques d'optimisation topologique des structures : forme d'hexagone classique (29), de « tasse de café » inversée ou non (30), de rond, de triangle. La densité de 15 l'âme peut être quelconque et les cellules qui constituent l'âme peuvent être disjointes les unes des autres. Le ou les caloducs, le ou les inserts, ne sont pas représentés, toutefois leur mise en place se fait comme décrit en figures (8, 9, 10 et 11). - La figure (13) montre le panneau sandwich avec âme quelconque ainsi fabriqué selon le procédé décrit dans les figures (8, 9, 10 et 11). 20 REVENDICATIONS1°) Procédé de fabrication d'un panneau anisotrope raidi, allégé, intégrant des fonctions mécaniques et thermiques consistant à réaliser les étapes suivantes : - fabriquer la peau inférieure (15) en des dimensions choisies en matériau métallique ou composite à matrice thermoplastique chargée, - élever l'âme (18) en les mêmes matériaux que la peau inférieure, en des dimensions choisies, en des formes et géométries variables juxtaposées ou non, et en des densités variables, - élever simultanément en la construction de l'âme les zones densifiées (18) ou massives assurant des jonctions mécaniques (21), en des dimensions choisies et en des densités variables, - élever simultanément en la construction de l'âme et des zones densifiées, les caloducs ou drains thermiques (24), en des dimensions choisies, de formes variables dans leurs plans et hors de leurs plans, - d'ajouter la peau supérieure (25), en des dimensions choisies en les mêmes matériaux et alliages que la peau inférieure, en sorte d'obtenir le panneau anisotrope sandwich fonctionnalisé. 2°) Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que les peaux (25, 26), l'âme, les inserts (28), les zones densifiées (29), les caloducs et les drains thermiques (27) 20 sont obtenus par la fusion de poudres métalliques ou d'alliages ou de résines thermoplastiques chargées de métal, 3°) Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'âme, les inserts (28), les zones densifiées (29), les caloducs et les drains thermiques (27), sont obtenus au cours d'une seule opération sans usage de colles, c'est-à-dire quasi simultanément, 25 4°) Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'âme, les inserts (28), les zones densifiées (29), les caloducs et les drains thermiques (27), sont réalisés en des profils de géométries variables tels qu'en forme des « tasse de café » renversée ou non (30), en épingle, en cylindre plein ou creux, en triangle, en carré, ou en hexagone, 5°) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce 30 que les profils et formes quelconques de l'âme et des zones densifiées (29, 30), sont adjacents, juxtaposés et joints ou non adjacents et disjoints selon la résistance à assurer, 6°) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les inserts (28), les zones densifiées (29), les caloducs et les drains thermiques (27), sont obtenus en faisant varier au cours de la fabrication les pourcentages métallurgiques de 35 l'alliage ou du métal employé ou du composite thermoplastique chargé, 3029833 - 9 - 7°) Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le panneau anisotrope ainsi fabriqué est fonctionnalisé, multi matériaux et monobloc.