Brevet FR3084010A1 — publié le 20200124

Structure pneumatique et procédé de fabrication associé La présente invention concerne une structure pneumatique comportant un corps déformable élastiquement définissant au moins un réseau de cavités internes, chaque cavité interne présentant un contour fermé dans au moins une section de la cavité interne, chaque cavité interne étant propre à être mise en pression pour faire passer le corps déformable élastiquement d'une configuration de repos à au moins une configuration mise en pression. Une telle structure est destinée à être utilisée pour former des objets tridimensionnels de structure prédéfinie, à partir d'une forme de référence, par application d'une pression interne positive ou négative dans des cavités internes du corps déformable élastiquement. Les objets tridimensionnels sont par exemple des équipements biomédicaux, des équipements de loisir ou de rééducation, des parties de meubles, ou encore des structures industrielles. Dans de nombreux domaines, il est souhaitable de disposer de structures présentant au repos une configuration contractée compacte, et occupant lors de leur utilisation, une configuration déployée, dans lequel la structure présente un volume d'usage. Dans certains cas, la structure est pneumatique. Le passage de la configuration de repos à la configuration déployée est réalisé en gonflant la structure avec un fluide. Les structures pneumatiques présentent des propriétés mécaniques très limitées, notamment en raison du grand volume occupé par les cavités internes du corps par rapport à la matière présente dans les parois du corps. En outre, ces structures tridimensionnelles sont figées et posent généralement des difficultés de pliage. D'autres structures pneumatiques sont décrites par exemple dans US 9,464,642. Ces structures présentent généralement une pluralité de canaux internes, qui, après gonflage, engendrent des déformations substantielles de la structure, pour qu'elle se courbe, qu'elle s'allonge, qu'elle se contracte, ou qu'elle se torde lors d'une mise en pression. Les structures décrites dans US 9,464,642 sont par exemple utilisées comme actionneurs pneumatiques. Toutefois, lors du gonflage de la structure, la déformation des cavités interne est très importante. Elle se produit généralement dans une seule direction et elle induit une expansion au niveau des cavités qui déforme fortement la structure, bien au-delà du rayon de courbure macroscopique occupé par la structure au niveau de la cavité. 2 Ainsi les formes obtenues par le gonflement de la structure sont essentiellement limitées par une cinématique de type flexion-extension, puisque la déformation est quasi unidimensionnelle, et l'aspect extérieur de la structure est fondamentalement modifié par la présence de bulles gonflées et fortement déformées au niveau des cavités. 5 Un but de l'invention est d'obtenir une structure pneumatique très simplement activable pour changer rapidement de forme et obtenir une forme contrôlée et reproductible qui s'adapte à l'application souhaitée. A cet effet, l'invention a pour objet une structure du type précité, caractérisée en ce que dans chaque configuration mise en pression, le corps déformable élastiquement 10 présente une métrique macroscopique distincte de sa métrique macroscopique en configuration de repos, et en ce que, dans chaque configuration mise en pression, le rayon de courbure d'une surface extérieure du corps déformable élastiquement, pris en regard de chaque cavité interne adjacente à la surface extérieure, est supérieur à deux fois la taille de la 15 cavité interne adjacente à la surface extérieure. La structure selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : - dans chaque configuration mise en pression, la largeur de chaque cavité interne, 20 est inférieure à trois fois, notamment à deux fois, la distance de la cavité interne à la surface extérieure du corps déformable élastiquement. - chaque cavité interne est délimitée latéralement, dans ladite section, par deux parois latérales, par une région inférieure et par une région supérieure du corps déformable élastiquement ; 25 - dans au moins une section, la largeur de la cavité interne, prise entre les parois latérales est inférieure à trois fois l'épaisseur du corps déformable élastiquement ; - dans au moins une section, l'épaisseur de la région inférieure ou/et l'épaisseur de la région inférieure, prise en regard de la cavité interne est supérieure à la moitié de la largeur de la cavité interne, prise entre les parois latérales ; 30 - la structure comprend une pluralité de cavités internes adjacentes séparées entre elles par des parois latérales de longueur supérieure à la largeur de la cavité interne, les parois latérales s'étendant avantageusement radialement par rapport à un axe central, ou circonferentiellement autour d'un axe central ; - la structure comprend une pluralité de cavités internes adjacentes séparées 35 entre elles par des piliers, la distance entre les surfaces externes des piliers est inférieure à deux fois l'épaisseur de la région supérieure et inférieure ; 3 - au moins une cavité interne du corps déformable élastiquement est propre à recevoir une pression comprise entre l'opposé de la pression atmosphérique et quatre fois le module élastique du corps déformable élastiquement, le corps déformable élastiquement présentant une première métrique macroscopique lorsque la pression 5 appliquée est l'opposé de la pression atmosphérique et une deuxième métrique macroscopique distincte de la première métrique macroscopique lorsque la pression appliquée est quatre fois le module élastique ; - chaque cavité interne dans chaque configuration mise en pression présente une section d'aire inférieure à 400% de l'aire de la section de la cavité interne dans la 10 configuration de repos ; - la structure comprend une armature interne déployable entre un état contracté et un état déployé lors du passage du corps déformable élastiquement de la configuration de repos à la configuration mise en pression, l'armature interne présentant dans l'état déployé un module élastique supérieur à celui du corps déformable élastiquement pour 15 rigidifier le corps déformable élastiquement, l'épaisseur de l'armature interne étant avantageusement au moins 10 fois plus petite que la plus grande dimension de l'armature interne ; - l'armature interne comporte un réseau de fils non tendus dans l'état contracté et tendus dans l'état déployé, ou au moins un étage de feuille inextensibles découpées, en 20 particulier par des motifs en forme de fourche imbriqués ; - la structure comprend un premier réseau de cavités internes propre à être mis en pression et au moins un deuxième réseau de cavités internes propre à être mis en pression indépendamment du premier réseau de cavités internes, le premier réseau de cavités internes et le deuxième réseau de cavités internes étant avantageusement 25 étagés ; - la structure forme un équipement biomédical, un équipement de loisir et/ou de rééducation, un composant de meuble, un équipement industriel de forme adaptable, notamment un appui tête réglable ou une pale d'éolienne ; - le module élastique du corps déformable élastiquement est compris entre 50 kPa 30 et 200 MPa ; - dans la configuration de repos, le corps déformable élastiquement est une plaque; - dans la configuration de repos, le corps déformable élastiquement possède une forme tridimensionnelle ayant une dimension petite, typiquement 10 fois plus petite, que 35 les deux autres dimensions, la forme tridimensionnelle étant en particulier une coque; - dans la configuration de repos, le corps déformable élastiquement est un volume; 4 - le corps est muni d'une couche mince de matériau rigide ciselé ; - le matériau rigide ciselé est choisi parmi le bois, le plastique, le métal, et/ou le linoléum ; - le corps déformable élastiquement est réalisé à base d'un élastomère, 5 notamment de polyuréthane, de silicone, de latex naturel, et leurs mélanges ; - l'épaisseur du corps déformable élastiquement est inférieure à 1 m et est notamment comprise entre 0,01 mm et 100 mm L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une structure telle que définie plus haut, comprenant les étapes suivantes : 10 - moulage d'une première partie du corps déformable élastiquement présentant chaque cavité interne, chaque cavité interne étant ouverte ; - fermeture de chaque cavité interne par application d'une deuxième partie du corps déformable élastiquement sur la première partie du corps déformable élastiquement. 15 Le procédé selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : - le procédé comprend, lors du moulage, l'incorporation d'une armature interne déployable entre un état contracté et un état déployé lors du passage du corps 20 déformable élastiquement de la configuration de repos à la configuration mise en pression, l'armature interne dans l'état déployé verrouillant le corps déformable élastiquement dans la configuration mise en pression. L'invention a également pour objet une méthode de mise en forme d'un objet tridimensionnel comportant les étapes suivantes : 25 - fourniture d'une structure pneumatique telle que définie plus haut, une première pression s'appliquant dans les cavités internes, le corps déformable élastiquement présentant une première configuration ; - modification de la pression s'appliquant dans les cavités internes, pour atteindre une deuxième configuration du corps déformable élastiquement, la métrique 30 macroscopique du corps déformable élastiquement étant modifiée, le rayon de courbure d'une surface extérieure du corps déformable élastiquement, pris dans la deuxième configuration, en regard de chaque cavité interne adjacente à la surface, est supérieur à deux fois la taille de la cavité interne adjacente à la surface, prise au niveau de la section de contour fermé. 5 La méthode de mise en forme peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : - la première configuration est une configuration de repos, la deuxième 5 configuration étant une configuration mise en pression ; - la structure comporte une armature de renfort reçue dans le corps déformable élastiquement, le passage de la première configuration à la deuxième configuration induisant le passage d'une armature de renfort présente dans le corps déformable élastiquement d'un état contracté à un état déployé sous tension verrouillant la structure. 10 L'invention a aussi pour objet une structure pneumatique comportant un corps déformable élastiquement définissant une pluralité de cavités internes, chaque cavité interne étant délimitée latéralement sur au moins une section par deux parois latérales et étant délimitée par une région inférieure et par une région inférieure du corps déformable élastiquement, 15 chaque cavité interne étant propre à être mise en pression pour faire passer le corps déformable élastiquement d'une configuration de repos à au moins une configuration mise en pression, caractérisée en ce que dans chaque configuration mise en pression, le corps déformable élastiquement présente une métrique macroscopique distincte de sa métrique 20 macroscopique en configuration de repos, la structure comprenant une armature interne déployable entre un état contracté et un état déployé lors du passage du corps déformable élastiquement de la configuration de repos à la configuration mise en pression, l'armature interne présentant dans l'état déployé un module élastique supérieur à celui du corps déformable élastiquement pour 25 rigidifier le corps déformable élastiquement. La structure ainsi définie ne comprend pas nécessairement la caractéristique selon laquelle , dans chaque configuration mise en pression, le rayon de courbure d'une surface extérieure du corps déformable élastiquement, pris en regard de chaque cavité interne adjacente à la surface extérieure, est supérieur à deux fois la taille de la cavité interne 30 adjacente à la surface extérieure. La structure ainsi définie peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques définies ci-dessus, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, 35 donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : 6 - la figure 1 est une vue d'une première structure pneumatique selon l'invention, dans une configuration de repos ; - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, dans une première configuration mise en pression, dans laquelle une pression positive est appliquée dans la structure 5 pneumatique ; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1, dans une deuxième configuration mise en pression, dans laquelle une pression négative est appliquée dans la structure pneumatique ; - la figure 4 est une vue, prise en coupe dans un plan médian de la structure de la 10 figure 1, illustrant la configuration des cavités internes présentes dans la structure ; - la figure 5 est une vue schématique en coupe d'un détail de la structure perpendiculairement au plan médian, dans la configuration de repos ; - la figure 6 est une vue analogue à la figure 5, dans la première configuration mise en pression ; 15 - les figures 7 à 15 illustrent des variantes de structures selon l'invention dans la configuration de repos et dans une configuration mise en pression ; - les figures 16 à 18 illustrent un premier exemple de structure selon l'invention munie d'une armature interne rigidifiante ; - les figures 19 à 20 illustrent un deuxième exemple d'armature interne rigidifiante ; 20 - les figures 21 à 23 illustrent un troisième exemple d'armature interne rigidifiante - la figure 24 illustre une autre structure pneumatique selon l'invention ; - la figure 25 illustre encore une autre structure pneumatique selon l'invention. Une première structure pneumatique 10 selon l'invention est illustrée schématiquement sur les figures 1 à 6. 25 La structure 10 comporte un corps déformable élastiquement 12 définissant intérieurement une pluralité de cavités internes 14, propres à être mises en pression pour faire passer le corps déformable élastiquement 12 d'une configuration de repos, représentée sur la figure 1, à une pluralité de configurations mises en pression, dont deux exemples sont représentés sur les figures 2 à 3. 30 La structure 10 comporte en outre au moins un port 13 de mise en pression, communiquant avec les cavités internes 14 pour permettre la mise en pression des cavités 14. Comme on va le décrire en détail plus bas, le corps déformable élastiquement 12 est configuré, par la structure des cavités internes 14 qu'il contient, pour se déformer de 35 manière réversible entre sa configuration de repos, avantageusement plane, et chaque configuration mise en pression, dans laquelle il adopte une forme tridimensionnelle 7 présentant au moins en partie une courbure gaussienne non nulle, la métrique macroscopique du corps déformable élastiquement 12 dans la configuration mise en pression étant différente de la métrique macroscopique du corps déformable élastiquement 12 dans la configuration de repos. 5 Par REVENDICATIONS1.- Structure pneumatique (10) comportant un corps déformable éiastiquement (12) définissant au moins un réseau de cavités internes (14); chaque cavité interne (14) présentant un contour fermé dans au moins une section de la cavité interne (14), chaque cavité interne (14) étant propre à être mise en pression pour faire passer le corps déformable élastiquement (12) dune configuration de repos à au moins une configuration mise en pression, caractérisée en ce que dans chaque configuration mise en pression, ie corps déformable élastiquement (12) présente une métrique macroscopique distincte de sa métrique macroscopique en configuration de repos, et en ce que, dans chaque configuration mise en pression, le rayon de courbure d'une surface extérieure du corps déformable élastiquement (12), pris en regard de chaque cavité interne (-14) adjacente à la surface extérieure, est supérieur à deux fois la taille de la cavité interne (14) adjacente à la surface extérieure.. 2.- Structure (10) selon la revendication 1, dans laquelle, dans chaque configuration mise en pression, la largeur de chaque cavité interne (14), est inférieure à trois fois, notamment inférieure à deux fois, la distance de la cavité interne (14) à la surface extérieure du corps déformable élastiquement (12). 3.- Structure (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes; dans laquelle chaque cavité interne (14) est délimitée latéralement, dans ladite section, par deux parois latérales (18), par une région inférieure (16) et par une région supérieure (15) du corps déformable élastiquement (12) 4.- Structure (10) selon la revendication 3, dans laquelle dans au moins une section, la largeur de la cavité interne (14), prise entre les parois latérales est inférieure à trois fois l'épaisseur du corps déformable élastiquement (12) 5.- Structure (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, dans laquelle dans au moins une section; l'épaisseur de la région supérieure (15) ou/et l'épaisseur de la région inférieure (16); prise en regard de la cavité interne (14) est supérieure à la moitié de la largeur de la cavité interne (14), prise entre les parois latérales (18). 6.- Structure (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, comprenant une pluralité de cavités internes (14) adjacentes séparées entre elles par des parois latérales (18) de longueur supérieure à la largeur de la cavité interne (14), les parois latérales (18) s'étendant avantageusement radialement par rapport à un axe central; ou circonferentieilement autour d'un axe central. 17 7.- Structure (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, comprenant une pluralité de cavités internes (14) adjacentes séparées entre elles par des piliers; la distance entre les surfaces externes des piliers est inférieure à deux fois l'épaisseur de la région supérieure et inférieure. 5 8.- Structure (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins une cavité interne (14) du corps déformable élastiquement (12) est propre à recevoir une pression comprise entre l'opposé de la pression atmosphérique et quatre fois le module élastique du corps déformable élastiquement (12), le corps déformable élastiquement (12) présentant une première métrique macroscopique lorsque 10 la pression appliquée est l'opposé de la pression atmosphérique et une deuxième métrique macroscopique distincte de la première métrique macroscopique lorsque la pression appliquée est quatre fois le module élastique. 9.- Structure (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque cavité interne (14) dans chaque configuration mise en pression présente 15 une section d'aire inférieure à 400% de l'aire de la section de la cavité interne (14) dans la configuration de repos. 10.- Structure (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une armature interne (50) déployable entre un état contracté et un état déployé lors du passage du corps déformable élastiquement (12) de la configuration de 20 repos à la configuration mise en pression, l'armature interne (50) présentant dans l'état déployé un module élastique supérieur à celui du corps déformable élastiquement (12) pour rigidifier le corps déformable élastiquement (12), l'épaisseur de l'armature interne (50) étant avantageusement au moins 10 fois plus petite que la plus grande dimension de l'armature interne (50). 25 11.- Structure (10) selon la revendication 10, dans laquelle l'armature interne (50) comporte un réseau de fils (52) non tendus dans l'état contracté et tendus dans l'état déployé, ou au moins un étage de feuille (60) inextensible découpée, en particulier par des motifs en forme de fourche imbriqués. 12. - Structure (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 comprenant un premier réseau de cavités internes (14) propre à être mis en pression et au moins un deuxième réseau de cavités internes (14) propre à être mis en pression indépendamment du premier réseau de cavités internes (14), le premier réseau de cavités internes (14) et le deuxième réseau de cavités internes (14) étant avantageusement étagés. 35 13. Structure (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, formant un équipement biomédical,un équipement de loisir et/ou de rééducation, un 18 composant de meuble, un équipement industriel de forme adaptable., notamment un appui tête réglable ou une pale d'éolienne. 14. Procédé de fabrication d'une structure (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes 5 - moulage d'une première partie du corps deformable élastiquement (12) présentant chaque cavité interne (14), chaque cavité interne (14) étant ouverte ; - fermeture de chaque cavité interne (14) par application d'une deuxième partie du corps deformable élastiquement (12) sur la première partie du corps deformable élastiquement (12). 10 15. - Procédé selon la revendication 14, comprenant, lors du moulage, l'incorporation d'une armature interne (50) déployable entre un état contracté et un état déployé lors du passage du corps deformable élastiquement (12) de la configuration de repos à la configuration mise en pression, l'armature interne (50) dans l'état déployé verrouillant le corps deformable élastiquement (12) dans la configuration mise en 15 pression.