Brevet FR3131249A1 — publié le 20230630

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un matériau composite de forme 3D, comportant un empilement de couches de résine et de fibre, intégrant au moins une couche métallique, ledit procédé les étapes suivantes, un motif unitaire type ayant été déterminée pour ladite couche métallique : i/ calcul des motifs organisés périodiquement sur la forme 3D non développable ; puis projection, sur un plan, desdits motifs, définissant ainsi une organisation plane de deuxièmes motifs ; ii/ étape de polymérisation partielle, à plat, de premières couches, comportant une couche supérieure métallique, dudit empilement composite plat, de manière à le rendre gravable, mais à le garder toujours déformable ; iii/ gravure électrochimique de ladite organisation de deuxièmes motifs définie à l’étape i sur la couche supérieure métallique de l’empilement composite plat issu de l’étape ii ; iv/ étape de polymérisation de l’empilement composite gravé après disposition dudit empilement dans un moule présentant la forme 3D souhaitée. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Objet 3D comportant un sandwich d’une ou plusieurs couches de composites, d’une ou plusieurs couches de motifs métalliques et éventuellement d’une ou plusieurs couches de polymères denses ou non pour applications radioélectriques appliquées aux antennes et/ou aux radômes L’invention se situe dans le domaine de la fabrication d’objets 3D comportant d’un empilage de couches de matériau composites comportant au moins une couche de motifs métalliques. Tout d’abord, certains termes et notions sont définis. L’invention s’applique notamment à la réalisation de radômes, de réflecteurs, de réseaux d’antennes, des réseaux réflecteurs ou de surfaces polarisantes. Ces matériaux composites (empilage de matériaux composites et de motifs métalliques) sont destinés à des applications de filtrage des ondes hyperfréquences les traversant, ou de contrôle de la propagation des ondes électromagnétiques (EM) qui pourraient y être piégées ou guidées. Les applications concernent notamment les radiocommunications et les radars, ainsi que les applications liées à la compatibilité électromagnétiques, aux contremesures et à la furtivité. En premier lieu, une ouverture rayonnante est protégée du milieu extérieur par un radôme. Ce dernier est généralement constitué d’une ou plusieurs couches de matériau diélectrique. Très souvent, on souhaite intégrer dans ce radôme des motifs métalliques dans le but notamment d’améliorer les performances de l’ouverture rayonnante qu’il protège et/ou de lui conférer de nouvelles fonctionnalités, et/ou encore de la protéger d’éventuels rayonnements indésirables. On appelle alors un tel radôme, un radôme fonctionnalisé. Les surfaces sélectives en fréquences (FSS), qui permettent de filtrer les ondes éclairant l’ouverture rayonnante selon un gabarit prédéterminé, en sont un cas particulier. Les surfaces sélectives en fréquence (FSS) sont des structures filtrantes électromagnétiques pouvant être planaires (2D), développables ou non développables (3D), des méta-surfaces, des méta-réseaux, des surfaces holographiques, et des réseaux réflecteurs. En second lieu, un réflecteur permet d’augmenter la surface rayonnante d’une antenne afin d’augmenter la directivité de celle-ci. Ce dernier est généralement constitué d’une unique fonction réfléchissante, mais à cause de certaines contraintes techniques de conception, ces réflecteurs ou sous réflecteurs doivent intégrer dans ces surfaces rayonnantes des motifs métalliques inclus dans du matériau composite dans le but notamment d’améliorer les performances de l’ouverture rayonnante et/ou de lui conférer de nouvelles fonctionnalités. On appelle alors un tel réflecteur ou sous-réflecteur, un réflecteur ou sous-réflecteur fonctionnalisé. A titre d’exemple, un sous-réflecteur avec inclusion d’une ou plusieurs couches de motifs métalliques peut être réflecteur à une fréquence F1 et transparent électriquement à une fréquence F2. Ou encore, un réflecteur peut être composé d’une couronne extérieure avec inclusion d’une ou plusieurs couches de motifs métalliques dans un matériau composite afin de réaliser une surface réfléchissante de diamètre D1 à F1 et de diamètre D2 à F2 avec D1>D2 et F1 Troisièmement, un réseau d’antennes est une mise en réseau d’antennes unitaires de manière périodique, pseudopériodique et/ou fractale. Cette mise en réseau permet d’augmenter la surface rayonnante de l’antenne et ainsi gagner en directivité et agilité (fréquentielle et /ou spatiale). Ce dernier est généralement constitué d’une ou plusieurs couches de matériaux diélectriques avec inclusion d’une ou plusieurs couches de motifs métalliques. Ici, les motifs métalliques sont les éléments rayonnant de l’antenne. Le réseau d’antenne peut ainsi être conformé à la forme du porteur afin d’améliorer l’intégration de celle-ci aux contraintes environnementales, notamment dans l’aéronautique. Enfin, une surface polarisante permet de modifier ou améliorer la polarisation intrinsèque d’une antenne. Cette dernière est généralement constituée d’une ou plusieurs couches de matériau diélectrique avec inclusion d’une ou plusieurs couches de motifs métalliques. A titre d’exemple, une surface polarisante permet de convertir la polarisation d’une antenne à polarisation linéaire à une polarisation circulaire. Sinon, une surface polarisante permet de convertir la polarisation d’une antenne à polarisation elliptique à une polarisation circulaire. Il est à noter qu’un autre type de fonctionnement ou d’application peut requérir l’inclusion de motifs métalliques dans un substrat diélectrique, l’ensemble étant solidaire d’un plan conducteur du type plan de masse. C’est le cas par exemple des méta surfaces, des surfaces à haute impédance, ou encore des réseaux réflecteurs. En toute rigueur, les inclusions métalliques d’un radôme ou réflecteur (ou sous-réflecteur) fonctionnalisé ou surface polarisante peuvent être de forme quelconque, 2D ou 3D, et les motifs qu’elles dessinent peuvent être indifféremment connectés ou déconnectés. Mais il est courant que ces radômes ou réflecteurs (ou sous-réflecteurs) fonctionnalisés ou surfaces polarisantes soient de forme non-développable (double-courbure) générant des contraintes de conception et réalisation supplémentaires. Par définition, une surface à simple courbure est une surface réglée développable, c'est-à-dire qui peut être étendue sur un plan, telle que le cône et le cylindre. Deux positions adjacentes de la génératrice se trouvent sur le même plan. Une surface gauche est une surface réglée non développable. Deux positions adjacentes de la génératrice ne se trouvent pas sur le même plan. Plusieurs surfaces externes des plateformes aéroportées et terrestres sont des surfaces gauches. Une surface à double courbure ne peut être engendrée que par une courbe et ne comporte aucun élément rectiligne, elle est donc une surface non réglée. Une telle surface, lorsqu'elle est engendrée par la rotation d'une courbe autour d'un axe situé sur le plan de la courbe, est appelée surface de révolution à double courbure. Les sphères, les tores, les ellipsoïdes de révolution et les hyperboloïdes de révolution sont des exemples courants de ce type de surfaces. Plusieurs surfaces rayonnantes d’antennes à réflecteur sont des surfaces de révolution à double courbure. Une surface non développable ne peut être mise à plat. On peut néanmoins les développer approximativement en les divisant en sections et en substituant chaque section par une surface développable, soit un plan ou une surface à simple courbure. Les processus de fabrication connus des empilages composites avec inclusion d’au moins une couche de motif métallique présentent un certain nombre d’inconvénients : ils ne permettent de fabriquer que des pièces planes, qui ne permettent pas d’obtenir la réponse radioélectrique à toutes les fréquences souhaitées à cause de la faible résolution des technologies additives seules ou soustractives par voie non chimiques (seuls des motifs assez larges sont réalisables, avec une répétabilité ou une déformation de motifs non satisfaisante). Ils ne sont pas applicables si plus de deux couches de motifs métalliques doivent faire partie du composite. Ces voies d’obtention des matériaux dégagent de la chaleur et nécessitent des matériaux durs. Ce qui signifie que les composites sont soit totalement polymérisés avant traitement, soit ils finissent de polymériser durant le traitement. Il est donc possible d’avoir une plaque de composite de forme non développable avec 2 faces présentant des motifs, mais totalement polymérisée. Il n’est donc plus possible de mettre en forme plusieurs empilements car les formes sont figées et la polymérisation totale. Il est impossible de reprendre le processus de polymérisation/collage Les FSS sont classiquement formées par un réseau périodique de motifs métalliques gravés chimiquement sur un substrat mince de type Kapton, Polycarbonate, LCP (polymère à cristaux liquides). Ce substrat est ensuite lui-même associé à d’autres strates de matériaux diélectriques, l’ensemble étant polymérisé pour former un radôme fonctionnalisé final, ou pour former la FSS finale. Un inconvénient de ce procédé est d’utiliser des matériaux différents pour les strates diélectriques seules et pour les strates contenant les motifs métalliques gravés. Sous certaines contraintes mécaniques, notamment celles rencontrées sur les plateformes aéroportées, cette différence de matériaux peut entraîner une délamination du composite, dégradant ses propriétés structurelles et pouvant même aller jusqu’à l’arrachement des strates entre elles. Sous certaines contraintes radioélectriques, notamment dans la bande Ka, un changement de matériaux peut dégrader les performances de la réponse radioélectrique de la FSS. Un problème à résoudre est donc notamment d’inclure des motifs métalliques (cuivre ou cuivre/nickel ou chrome par exemple) dans un objet composite sans ajouter un autre matériau que celui du radome lui-même, celui étant en matériau composite, par exemple en quartz/époxy. Par ailleurs, les surfaces sélectives en fréquences FSS connaissent un intérêt grandissant dans les domaines de la radiocommunication car elles permettent d’optimiser les performances des antennes. Les FSS commencent à être intégrées dans les radômes composites qui protègent les systèmes antennaires. La solution connue la plus commune est d’intégrer un support métallisé et gravé dans les plis du matériau composite. Dans ce contexte, l’art antérieur propose diverses solutions. Le document US 6 208 316 B1 divulgue un procédé où les motifs métalliques sont fabriqués par gravure chimique sur un support PTFE appelé Duroid. D’autres méthodes comme l’impression à jet d’encre sont utilisées pour effectuer un dépôt métallisé sur un support diélectrique, comme le décrit notamment l’article de E.A. Parker et S.M.A. Hamdy : « Rings as elements for Frequency Selective Surface », Electron. Lett., vol. 17, 1981, pages 612-614 ou encore la demande de brevet US 2017/0352948 A1. Les matériaux déposés sont des matériaux à base de carbone ou d’argent, moins conducteurs que le cuivre pur. De plus, ces techniques de dépôts ne permettent pas une résolution de réalisation des motifs suffisamment précise pour obtenir une réponse radioélectrique performante notamment en bande Ka. Dans les solutions de l’art antérieur les motifs métalliques sont gravés sur un support différent du matériau du radôme, dans tous les cas elles ne permettent donc pas d’incorporer des motifs métalliques conducteurs, en cuivre notamment, dans un matériau composite dans ajout d’un support extérieur. Il est souhaité de pouvoir fabriquer des formes 3D notamment non développables comprenant un empilage de composites et de motifs métalliques, pour obtenir par exemple des réflecteurs ou des radômes possédant une ou plusieurs couches sélectives en fréquences. Un but de l’invention est notamment de pallier les inconvénients de l’art antérieur mentionnés ci-dessus. A cet effet, suivant un premier aspect, la présente invention décrit un procédé de fabrication d’un matériau composite de forme 3D, comportant un empilement de couches de matériau, intégrant au moins une couche de motifs métalliques, ledit procédé comprenant les étapes suivantes, une organisation périodique ou pseudo-périodique en 2D de premiers motifs similaires à un motif unitaire type ayant été déterminée pour ladite couche de motifs métalliques en fonction de la fonction radioélectrique souhaitée pour la couche de motifs métalliques : i/ calcul des premiers motifs de ladite organisation périodique une fois apposée sur la forme 3D ; puis projection, sur un plan, desdits motifs calculés sur la forme 3D, définissant ainsi une organisation plane de deuxièmes motifs ; ii/ étape de polymérisation partielle, à plat, d’au moins un sous-ensemble de premières couches dudit empilement, de manière à le rendre gravable, mais à le garder toujours déformable, lesdites premières couches étant à plat et comportant au moins une couche métallique en surface dudit sous-ensemble ; iii/ gravure électrochimique de ladite organisation de deuxièmes motifs définie à l’étape i sur chaque couche métallique de l’empilement composite plat issu de l’étape ii ; iv/ étape de polymérisation finale de l’empilement composite gravé après disposition dudit empilement dans un moule présentant la forme 3D souhaitée. L’invention a pour objet un procédé de fabrication d’un matériau composite de forme développable ou non développable composé d’un empilement de couches de résine et de fibre, intégrant des motifs métalliques, lesdits motifs étant obtenus par gravure d’au moins un feuillard métallique déposé sur une au moins une couche de fibre pré-imprégnée de résine avant polymérisation et empilement avec lesdites couches, ladite fibre pré-imprégnée de résine étant par exemple la même que la fibre préimprégnée de résine des autres couches dudit matériau composite. En effet, si le matériau utilisé est suffisamment ductile, les feuilles plates peuvent être étirées, pressées, estampées, repoussées ou travaillées autrement pour prendre la forme voulue. Les surfaces non développables sont souvent produites par une combinaison de surfaces développables qui sont ensuite façonnées légèrement à la forme requise. L’innovation permet ainsi la fabrication de pièces de formes non développables composées de matériaux composites avec des inserts d’une ou plusieurs couches de motifs métalliques gravés de formes particulières. L’invention permet : - d’obtenir des motifs métalliques sur une surface non développable à partir d’une ou plusieurs surfaces planes à partir d’un matériau suffisamment ductile (passage du 2D au 3D non développable) en réalisant un développé approximatif mais suffisamment précis de N sections. Ces N sections sont substituées par des surfaces développable, soit un plan ou une surface à simple courbure. - de réaliser des fichiers de fabrication 2D des motifs métalliques périodiques ou pseudopériodique avec une résolution très fine et une forte fiabilité (peu de défauts) ; - de former l’amalgame composite avec la ou les couches de motifs métalliques périodiques ou pseudo-périodiques. Dans des modes de réalisation, un tel procédé comprendra en outre l’une au moins des caractéristiques suivantes : la forme est une forme non développable ; à l’issue de l’étape i : - la valeur d’au moins un paramètre indiquant les déformations entre les motifs projetés sur ladite forme 3D et le motif unitaire cible est calculée ; et - ladite valeur calculée est comparée à un seuil ; et - si ladite valeur est supérieure au seuil, une modification est apportée à ladite organisation périodique ou pseudo-périodique en 2D de premiers motifs et/ou à un ou plusieurs premiers motifs ; et avant la mise en œuvre de l’étape ii, l’étape i est itérée sur la base de ladite organisation périodique ou pseudo-périodique en 2D de premiers motifs obtenue après modification, les étapes ii à iv étant alors mises en œuvre sur la base de l’organisation plane de deuxièmes motifs obtenue après modification ; un ou plusieurs paramètres sont calculés parmi un paramètre indiquant une déformation en longueur des motifs et un paramètre indiquant une déformation en angle des motifs ; une cartographie de la déformation est calculée, représentant en fonction de la position, sur ladite forme 3D, du motif projeté, un niveau de déformation ; le sous-ensemble de premières couches considéré à l’étape i comporte une couche métallique sur la face inférieure dudit sous-ensemble et une couche métallique sur la face supérieure dudit sous-ensemble et une gravure de motifs est effectuée sur chacune des deux couches métalliques à l’étape iii ; l’empilement devant comprendre plusieurs sous-ensembles comportant chacun un empilement de couche(s) de résine et fibre et de couche(s) métallique(s) périodique(s) ou pseudo-périodique(s) : l’ensemble des étapes i, ii, iii est mise en œuvre pour chaque sous-ensemble, chaque sous-ensemble étant associé à sa propre organisation de motifs périodiques ou pseudo-périodiques ; et l’étape iv de polymérisation finale dans le moule est alors mise en œuvre une fois que les sous-ensembles issus chacun des étapes i, ii et iii ont été empilés ou apposés ensemble dans le moule ; lesdits motifs métalliques ont pour fonction au moins une fonction parmi celle de filtrer des ondes électromagnétiques, d’être un ensemble ou sous ensemble de l’élément rayonnant d’une antenne, de modifier le comportement de l’onde électromagnétique incidente ; lesdits motifs métalliques ont pour fonction de recevoir ou d'émettre des ondes radioélectriques. A cet effet, suivant un autre aspect, la présente invention décrit un procédé de fabrication d’un élément, comportant un procédé de fabrication d’un empilage composite selon l’une des revendications précédentes, selon lequel l’élément est un élément parmi une antenne, un radôme et une surface polarisante. L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées, données à titre d’exemple. représente les étapes d’un procédé dans un mode de réalisation de l’invention ; représente un motif unitaire type dans un mode de réalisation de l’invention ; représente une vue de dessus d’une surface non développable parabolique et d’une portion de coupe de ladite surface dans un mode de réalisation de l’invention ; représente le résultat de l’étape 102 dans un mode de réalisation de l’invention ; représente le maillage 3D d’une surface parabolique dans un mode de réalisation de l’invention ; représente l’organisation périodique, ici sous forme de matrice 2D, de motifs unitaires types à projeter sur le maillage 3D de la surface dans un mode de réalisation de l’invention. représente une cartographie des distorsions dans un mode de réalisation de l’invention. Procédé de fabrication d’un matériau composite de forme 3D (26), comportant un empilement de couches de résine et de fibre et au moins une couche de motifs métalliques, ledit procédé comprenant les étapes suivantes, une organisation périodique ou pseudo-périodique en 2D de premiers motifs similaires à un motif unitaire type (10) ayant été déterminée pour ladite couche de motifs métalliques en fonction de la fonction radioélectrique souhaitée pour la couche de motifs métalliques : i/ calcul des premiers motifs de ladite organisation périodique une fois apposée sur la forme 3D ; puis projection, sur un plan, desdits motifs calculés sur la forme 3D, définissant ainsi une organisation plane de deuxièmes motifs ; ii/ étape de polymérisation partielle, à plat, d’au moins un sous-ensemble de premières couches dudit empilement, de manière à le rendre gravable, mais à le garder toujours déformable, lesdites premières couches étant à plat et comportant au moins une couche métallique en surface dudit sous-ensemble ; iii/ gravure électrochimique de ladite organisation de deuxièmes motifs définie à l’étape i sur la couche métallique de l’empilement composite plat issu de l’étape ii ; iv/ étape de polymérisation finale de l’empilement composite gravé après disposition dudit empilement dans un moule présentant la forme 3D souhaitée. Procédé de fabrication d’un empilage composite de forme 3D selon la revendication 1, selon lequel la forme est une forme non développable. Procédé de fabrication d’un empilage composite de forme 3D selon la revendication 1 ou 2, selon lequel, à l’issue de l’étape i : - la valeur d’au moins un paramètre indiquant les déformations entre les motifs projetés sur ladite forme 3D et le motif unitaire cible est calculée ; et - ladite valeur calculée est comparée à un seuil ; et - si ladite valeur est supérieure au seuil, une modification est apportée à ladite organisation périodique ou pseudo-périodique en 2D de premiers motifs et/ou à un ou plusieurs premiers motifs ; et avant la mise en œuvre de l’étape ii, l’étape i est itérée sur la base de ladite organisation périodique ou pseudo-périodique en 2D de premiers motifs obtenue après modification, les étapes ii à iv étant alors mises en œuvre sur la base de l’organisation plane de deuxièmes motifs obtenue après modification. Procédé de fabrication d’un empilage composite de forme 3D selon la revendication 3, selon lequel un ou plusieurs paramètres sont calculés parmi un paramètre indiquant une déformation en longueur des motifs et un paramètre indiquant une déformation en angle des motifs. Procédé de fabrication d’un empilage composite de forme 3D selon la revendication 3 ou 4, selon lequel une cartographie de la déformation est calculée, représentant en fonction de la position, sur ladite forme 3D, du motif projeté, un niveau de déformation. Procédé de fabrication d’un empilage composite de forme 3D selon l’une quelconque des revendications précédentes, selon lequel le sous-ensemble de premières couches considéré à l’étape i comporte une couche métallique sur la face inférieure dudit sous-ensemble et une couche métallique sur la face supérieure dudit sous-ensemble et une gravure de motifs est effectuée sur chacune des deux couches métalliques à l’étape iii. Procédé de fabrication d’un empilage composite de forme 3D selon l’une quelconque des revendications précédentes, selon lequel l’empilement devant comprendre plusieurs sous-ensembles comportant chacun un empilement de couche(s) de résine et fibre et de couche(s) métallique(s) périodique(s) ou pseudo-périodique(s) : l’ensemble des étapes i, ii, iii est mis en œuvre pour chaque sous-ensemble, chaque sous-ensemble étant associé à sa propre organisation de motifs périodiques ou pseudo-périodiques; et l’étape iv de polymérisation finale dans le moule est alors mise en œuvre une fois que les sous-ensembles chacun issus des étapes i, ii et iii ont été empilés ou apposés ensemble dans le moule. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits motifs métalliques ont pour fonction au moins une fonction parmi celle de filtrer des ondes électromagnétiques, d’être un ensemble ou sous ensemble de l’élément rayonnant d’une antenne et/ou de modifier la polarisation de l’onde EM. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits motifs métalliques ont pour fonction de recevoir ou d'émettre des ondes radioélectriques. Procédé de fabrication d’un élément, comportant un procédé de fabrication d’un empilage composite selon l’une des revendications précédentes, selon lequel l’élément est un élément parmi une antenne, un radôme et/ou une surface polarisante.