Brevet FR3081371A1 — publié le 20191129

PROCEDE DE FABRICATION D'UN PANNEAU SANDWICH OPTIMISE ET PANNEAU AINSI REALISE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de la 5 fabrication de panneaux composites comportant un coeur formé par un matériau alvéolaire présentant des cellules vides sur lesquelles sont apposées des fibres pré-imprégnées de résine. De tels panneaux présentant une structure sandwich sont habituellement fabriqués par drapage 10 selon des techniques couramment utilisées pour la fabrication des pièces en matériaux composites. Ces techniques de fabrication consistent à draper des fibres pré-imprégnées de résine sur les deux faces d'une âme d'un matériau alvéolé tel qu'une mousse ou une structure en nid d'abeilles. Lorsque le 15 drapage est terminé, l'ensemble est placé dans une presse à compression ou étuve ou autoclave afin de polymériser la résine suivant un cycle de température et de pression définis. De telles structures sandwich de panneaux composites sont utilisées en particulier dans le domaine aéronautique ou 20 dans le nautisme. Une application particulière de l'invention concerne la réalisation de panneaux d'habillage, de cloisonnement et de cuisine (« Galley » en anglais ») dans les aéronefs. De façon plus générale, l'invention peut toutefois être utilisée pour réaliser tout panneau devant présenter une 25 bonne tenue mécanique et un très bon aspect de surface pour une masse allégée. Ces cloisons sont habituellement constituées d'un coeur en nid d'abeilles ou en mousse renforcé de part et d'autre par des tissus ou nappes de verre, carbone ou hybride pré- 30 imprégnés. Le nombre de tissus est dépendant du chargement appliqué à la structure. Plus celle-ci est sollicitée, plus les 2 épaisseurs du coeur et des matériaux pré-imprégnés sont importantes. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique le brevet 5 FR2563153 qui concerne un panneau composite notamment destiné au mobilier avion comprenant une âme centrale formée d'un panneau du type nid d'abeilles revêtu sur ses deux faces d'au moins une couche de tissus pré-imprégnés de résine appropriée, ledit panneau étant caractérisé en ce qu'au moins l'une des faces dudit 10 panneau ainsi revêtu est recouverte d'un placage de bois mince mis en place par simple pression à chaud, l'ensemble âme centrale tissus placage, étant assemblé et solidarisé au cours d'une seule et même opération. On connaît aussi dans l'état de la technique le 15 brevet US6537413B1 décrivant un procédé de réalisation d'un panneau composite renforcé localement de type sandwich comportant un noyau alvéolaire. Ce procédé prévoit la réalisation d'un empilement constitué: - d'au moins une première peau en un matériau 20 thermoplastique armé; - une première couche de renforcement faite d'un matériau thermoplastique renforcé; - un noyau cellulaire constitué d'un matériau thermoplastique; 25 - une seconde couche de renforcement constituée d'un matériau thermoplastique renforcé; - une seconde peau constituée d'un matériau thermoplastique renforcé. Ces première et seconde couches de renforcement 30 présentent une superficie inférieure à la surface de chacune des première et seconde peaux, et sont positionnées symétriquement par rapport à un plan formé par le noyau alvéolaire en des 3 endroits opposés auxdites peaux qui sont prédéterminées pour subir les plus grandes contraintes mécaniques. Le panneau est formé selon cette solution de l'art antérieur en soumettant l'empilement chauffé à un pressage à froid dans un moule, sous une pression comprise entre 1 x 106 Pa et 3 x 106 Pa, en une seule étape de moulage de sorte qu'un débit de production élevé est fourni. Le panneau est renforcé de manière optimale localement sans souffrir de poids supplémentaire. On connaît aussi la demande de brevet américaine US2017151707 décrivant un panneau composite comprenant un noyau en nid d'abeille dont les données de la structure interne sont optimisées topologiquement pour réduire le poids et améliorer la résistance pour présenter une rigidité plus élevée que la structure en nid d'abeilles conventionnelle. L'optimisation topologique est réalisée à partir d'une charge dont la direction présente une composante qui contribue significativement à la rigidité et selon une autre composante qui contribue peu à la rigidité, par une méthode par 20 éléments finis (FEM) ou similaire. L'optimisation a pour but de minimiser la masse tout en respectant une contrainte de rigidité (charge de flambage, déplacement, etc.). La structure interne définie par optimisation topologique est fabriquée en utilisant une imprimante 3D basée sur des données de la structure interne 25 topologiquement optimisée. Inconvénients de l'art antérieur Les panneaux sont destinés à des cloisons ou des pièces de structure intérieures d'un aéronef par exemple et doivent donc présenter des qualités mécaniques adaptées à la 30 résistance à des contraintes nominales, déterminées pour les situations de décompressions, chute d'un corps sur la cloison, accélérations extrêmes, tout en respectant un objectif de masse 4 défini. Pour garantir une résistance suffisante, on augmente dans l'art antérieur les épaisseurs de tissus ou nappes pré-imprégnés de résine. La masse des matériaux pré-imprégnés de résine 5 contribue de façon prépondérante à la masse totale de la structure. Elle représente environ 60% de la masse totale pour un panneau constitué d'un Nid d'abeille de 25mm (1200g/m2) et de 2 couches de matériaux pré-imprégnés de résine de part et d'autre du coeur en nid d'abeille (500g/m2/couche de matériaux 10 imprégnés). Cette proportion passe à 70% si on rajoute une couche de matériaux pré-imprégnés de part et d'autre du coeur en nid d'abeille. La solution décrite dans la demande de brevet US2017151707 visant à optimiser le noyau ne permet de réduire 15 que marginalement la masse de la cloison. Par ailleurs, les cloisons peuvent contenir des zones de renforts. Des tissus, nappes ou tôles métalliques sont ainsi rajoutés dans des zones critiques nécessitant des reprises d'efforts supplémentaires. Ces renforts localisés et les tissus répartis uniformément sur le panneau ont un impact significatif sur la masse totale de la structure. Les solutions de l'art antérieur ne sont donc pas adaptées à la réalisation de panneaux alliant une résistance mécanique et une légèreté. Enfin, certaines des solutions de l'art antérieur nécessitent le recours à des techniques de fabrication spécifiques, peu adaptées à une industrialisation de panneau à des prix acceptables, avec des équipements standards ou aboutissent à une structure avec des zones sans matière ne s'adaptant pas à des structures type cloisons qui sont revêtues par des éléments décoratifs tels que des placages ou stratifiés, cuir nécessitant des surfaces d'appui pour le collage. 5 Solution apportée par l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur par un agencement permettant d'optimiser les matériaux pour diminuer la masse des structures 5 sandwich tout en respectant les spécifications relatives à la résistance mécanique. L'invention permet ainsi d'obtenir des gains de masse tout en conservant les critères de résistance mécanique exigés. A cet effet, l'invention concerne en premier lieu un 10 procédé de fabrication d'un panneau sandwich comportant un coeur formé par un matériau alvéolaire présentant des cellules vides, le procédé consistant à déposer sur chacune des surfaces dudit coeur en nid d'abeilles au moins une couche d'un matériau pré-imprégné 15 caractérisé en ce qu'il comporte en outre : a) une étape initiale de détermination des trajets d'efforts principaux par optimisation topologique d'un modèle numérique volume élémentaire représentatif de panneau homogène [plein] soumis à une combinaison de sollicitations nominales 20 b) une étape de dépose sur chacune desdites couches de matériau pré imprégné, d'un matériau additionnel positionné sur les trajets d'efforts principaux déterminés lors de l'étape précédente, de manière symétrique par rapport au plan médian dudit panneau. 25 Selon des variantes de réalisation : - ladite combinaison de sollicitations nominales correspond à la combinaison des cas limites de sollicitations - ledit matériau additionnel est un matériau composite pré imprégné 30 - ledit matériau additionnel est un tissu pré imprégné 6 - ledit matériau pré imprégné additionnel est une nappe unidirectionnelle dont les fibres sont orientées selon les trajets d'effort - ledit matériau additionnel est une tôle fine 5 - ledit matériau additionnel comprend des fibres de carbone, de verre, d'hybride carbone-verre ou d'aramide - le dépôt de matériaux additionnels relie des lignes d'effort - le procédé comporte une étape intermédiaire de 10 dimensionnement par modélisation numérique d'un panneau composite comportant des zones de renforts calculées lors de ladite étape initiale, soumis à une combinaison de sollicitations nominales - ladite étape intermédiaire déterminant la largeur 15 des matériaux additionnels, le nombre de couches de matériau additionnel juste nécessaire et l'orientation des couches de matériau additionnel. L'invention concerne également un panneau constitué par une plaque en un matériau alvéolaire présentant des cellules 20 vides, revêtu de part et d'autre par au moins une couche en un matériau pré-imprégné caractérisé en ce qu'il comporte en outre, sur chacune desdites couches de matériau pré-imprégné, au moins une bande de matériau additionnel positionnée sur des trajets d'efforts principaux déterminés par une optimisation topologique 25 d'un modèle numérique volume élémentaire représentatif d'un panneau homogène [plein] soumis à une combinaison de sollicitations nominales, la configuration du matériau additionnel positionné sur l'une et sur l'autre couche de matériau pré-imprégné étant symétrique par rapport au plan 30 médian dudit panneau. Avantageusement, lesdites bandes de matériau additionnel s'étendent entre les zones de fixation du panneau sur la structure. 7 Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation du 5 procédé et du panneau selon l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard du dessin annexé sur lequel la figure unique représente une coupe schématique d'un panneau composite conforme à l'invention. 10 Le panneau du type nid d'abeilles, par exemple en aluminium ou dans le matériau connu sous la marque déposée NOMEX est constitué par un coeur alvéolaire (1) d'une épaisseur typiquement comprise entre quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres. 15 Chaque face du coeur alvéolaire (1) est revêtue d'une ou plusieurs couches de matériaux (2, 3) pré-imprégnés d'une résine appropriée. Il s'agit par exemple de fibres de verre ou de matériau connu sous la marque HEXCEL ou autres fabricants pré-imprégnés d'une résine phénolique ou époxy ou autre. 20 Le panneau présente des zones de fixation, par exemple des ferrures (4 à 6) destinées à la liaison entre le panneau et la structure de l'aéronef. On applique au modèle numérique du panneau homogène (plein) avec ses zones de fixation différentes charges et forces 25 supportées par la pièce correspondant à une combinaison de sollicitations nominales, par exemple une pression contre la paroi, une accélération de l'aéronef, un cas de décompression. Cette modélisation permet d'appliquer ensuite une méthode d'optimisation topologique pour déterminer les trajets 30 d'efforts principaux à l'aide d'un logiciel d'optimisation. Parmi les plus connus, on retrouve ainsi les logiciels Optistruct d'Altair Hyperworks, DesignSpace de l'éditeur Ansys, Tosca de 8 Dassault Systèmes, Within Labs d'Autodesk ou encore Inspire de SolidThinking. Le problème d'optimisation topologique revient à minimiser l'énergie de déformation (équivalent à maximiser la raideur de la pièce) en ajustant la densité des éléments entre 5 0 et 1 tout en respectant un objectif de minimisation de la masse et de respect des contraintes admissibles dans la structure. Le résultat de l'optimisation topologique est utilisé pour positionner les tissus/nappes pré-imprégnés 011 renforts suivant les trajets d'efforts obtenus par simulation 10 numérique. On découpe deux pièces additionnelles (7) dont la configuration correspond à la représentation des parties soumises à un effort, dans un matériau pré-imprégné ou de renforcement, et on dépose sur chacune desdites couches de matériau pré-imprégné, un matériau additionnel positionné sur 15 les trajets d'efforts principaux déterminés lors de l'étape précédente, de manière symétrique par rapport au plan médian dudit panneau. La fabrication du panneau est réalisée selon un processus conventionnel, dans une presse à compression suivant 20 un cycle de température et de pression définis par le fabricant de matériaux pré-imprégnés. Les faces externes du panneau ainsi réalisées peuvent être revêtues d'un placage de bois mince, d'épaisseur variable, par exemple de quelques dixièmes de millimètres. 25 N'importe quelle essence de bois ou autre élément de décoration type Tedlar (nom commercial), cuir, plaque mélaminée type Formica (nom commercial) peuvent être utilisés. L'utilisation pour les matériaux pré-imprégnés d'une résine phénolique permet au panneau composite selon l'invention 30 de satisfaire les normes de feu, de toxicité et fumées dans le domaine aéronautique. Par ailleurs, l'invention n'est évidemment pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit ci-dessus 9 mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne les natures, formes et dimensions des éléments constitutifs du panneau composite et les conditions opératoires de leur assemblage. 5 Elle peut être appliquée à tout type de mobilier notamment les cuisines (Galley en anglais), penderie, cloisons ou tout élément d'avion ayant des parties reliées à la structure de l'avion. REVENDICATIONS1 - Procédé de fabrication d'un panneau sandwich comportant un coeur formé par un matériau alvéolaire (1) présentant des cellules vides, le procédé consistant à déposer sur chacune des surfaces dudit coeur (1) en nid d'abeille une couche d'un matériau pré-imprégné (2, 3) caractérisé en ce qu'il comporte en outre : a) une étape initiale de détermination des trajets d'efforts principaux par optimisation topologique d'un modèle 10 numérique volume élémentaire représentatif de panneau homogène soumis à une combinaison de sollicitations nominales b) une étape de dépose sur chacune desdites couches de matériau pré-imprégné (2, 3), d'un matériau additionnel (7) positionné sur les trajets d'efforts principaux déterminés lors 15 de l'étape précédente, de manière symétrique par rapport au plan médian dudit panneau. 2 - Procédé de fabrication d'un panneau selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite combinaison de 20 sollicitations nominales correspond à la combinaison des cas limites de sollicitations. 3 - Procédé de fabrication d'un panneau selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau additionnel 25 (7) est un matériau composite pré-imprégné. 4 - Procédé de fabrication d'un panneau selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau additionnel (7) est un tissu pré-imprégné. 30 5 - Procédé de fabrication d'un panneau selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau pré- 11 imprégné additionnel (7) est une nappe unidirectionnelle dont les fibres sont orientées selon les trajets d'effort. 6 - Procédé de fabrication d'un panneau selon la 5 revendication 1 caractérisé en ce que ledit matériau additionnel (7) est une tôle fine 7 - Procédé de fabrication d'un panneau selon la revendication 1 caractérisé en ce ledit matériau additionnel (7) 10 comprend des fibres de carbone, de verre, d'hybride carbone-verre ou d'aramide. 8 - Procédé de fabrication d'un panneau selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte le dépôt de 15 matériaux additionnels (7) relie des lignes d'effort. 9 - Procédé de fabrication d'un panneau selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une étape intermédiaire de dimensionnement par modélisation numérique 20 d'un panneau composite comportant des zones de renforts calculées lors de ladite étape initiale, soumis à une combinaison de sollicitations nominales. - Procédé de fabrication d'un panneau selon la 25 revendication précédente caractérisé en ce que ladite étape intermédiaire détermine la largeur des matériaux additionnels (7), le nombre de couches de matériau additionnel juste nécessaire et l'orientation des couches de matériau additionnel. 30 11 - Panneau constitué par une plaque en un matériau alvéolaire (1) présentant des cellules vides, revêtu de part et d'autre par une couche en un matériau pré-imprégné (2, 3) 12 caractérisé en ce qu'il comporte en outre, sur chacune desdites couches de matériau pré-imprégné (2, 3), au moins une bande de matériau additionnel (7) positionnée sur des trajets d'efforts principaux, déterminés par une optimisation topologique d'un 5 modèle numérique volume élémentaire représentatif de panneau homogène plein soumis à une combinaison de sollicitations nominales, la configuration du matériau additionnel (7) positionné sur l'une et sur l'autre couche de matériau pré-imprégné (2, 3) étant symétrique par rapport au plan médian dudit 10 panneau. 12 - Panneau selon la revendication 11 caractérisé en ce que lesdites bandes de matériau additionnel s'étendent entre les zones de fixation du panneau sur la structure.15