Brevet FR3155739A1 — publié le 20250530

Le procédé de fabrication hybride par usinage et moulage (H3M pour Hybrid Manufacturing by Machining and Molding) concerne la fabrication de lentilles de Fresnel géantes (de diamètre supérieur ou égal à 1,5 mètre) par un procédé hybride innovant d’usinage et de moulage par compression. L'invention consiste à chauffer un outil (2) et à le déplacer en combinant rotation et glissement de manière concentrique à une plaque en matériau thermoformable (3) tout en appliquant une pression sur l'outil pour mouler et usiner la plaque à chaque passage, ce qui permet de produire les facettes d’une lentille de Fresnel avec une précision élevée. Les plaques manufacturées s’assemblent pour former une seule grande lentille de Fresnel de diamètre supérieur ou égal à 1,5 mètre. Ce procédé hybride permet d'obtenir une production plus rapide et plus efficace de lentilles de Fresnel de diamètre supérieur ou égal à 1,5 mètre par rapport aux procédés traditionnels. Figure pour abrégé [Fig 1]. Fabrication hybride par usinage et moulage de grande lentille de Fresnel - Procédé H3M Le procédé H3M (pour fabrication hybride par usinage et moulage, ou Hybrid Manufacturing by Machining and Molding en anglais) concerne la fabrication de lentilles optiques géantes, notamment de lentilles de Fresnel avec un diamètre supérieur ou égal à 1,5 mètre. Plus précisément, la fabrication de sous-parties assemblables de ces lentilles de grande dimension à l'aide d'une technologie hybride combinant moulage par compression et usinage. Cette technologie hybride permet d'obtenir une qualité optique élevée en conservant une maîtrise des coûts dans la production de lentilles de Fresnel de très grande dimension, ce qui est crucial pour les applications nécessitant une haute qualité optique ainsi que des lentilles de grand format. La fabrication de lentilles de Fresnel de grand format est traditionnellement effectuée soit à l'aide de méthodes de moulage par presse, soit par usinage. Chacune de ces méthodes présente des limites en termes de rapidité et de qualité de production. Le moulage traditionnel peut offrir une qualité de surface élevée, mais est souvent limité par la taille et la forme des pièces produites, ainsi que par les coûts associés à la production de moules coûteux. L'usinage, quant à lui, peut produire des pièces plus grandes et plus complexes, mais peut être plus lent et plus coûteux en raison de la nécessité de maintenir une précision élevée pour les outils de coupe. Le procédé de fabrication de sous-parties de lentilles de Fresnel assemblables, selon l’invention combinant moulage et usinage, offre une alternative plus efficace pour la production de lentilles de Fresnel de grand et très grand format. Le procédé commence par la préparation des plaques de matériaux à manufacturer en lentille de Fresnel. Les plaques sont en un matériau thermoformable ayant des propriétés optiques de transmission de la lumière, tel que le verre transparent ou l'acrylique transparent. Elles prennent des formes, par exemple, triangulaires, trapézoïdales, ou toutes formes assemblables ayant la propriété de former des surfaces plus grandes de formes polygonales ou circulaires. Ces plaques sont ensuite manufacturées pour représenter une sous-partie de la grande lentille de Fresnel. La plaque à manufacturer est disposée et maintenue en position sous un outil prenant la forme d’un rouleau conique potentiellement modulable dans sa longueur, servant à la fois de moule positif et d’outil d’usinage des facettes d’une lentille de Fresnel. L'extrémité du rouleau conique au rayon le plus petit correspond aux facettes du centre de la lentille de Fresnel. L'extrémité du rouleau conique au rayon le plus grand correspond aux facettes des bords extérieurs de la lentille de Fresnel. Le rouleau conique est chauffé et maintenu à une température comprise entre 40°C et 1600°C pour déformer la plaque à manufacturer (Cette plage de température permet de s’adapter à plusieurs types de matériaux). Un système de presse exerce une pression uniforme sur le rouleau pour contraindre le rouleau conique sur la plaque à manufacturer. Le mouvement de l’outil conique peut être un roulement avec glissement et un roulement sans glissement par rapport à la plaque. Une pression constante est appliquée par le rouleau sur la plaque, et le rouleau peut faire plusieurs passages si nécessaire. Les différents mouvements combinent de l’usinage et du moulage par compression et constituent un procédé innovant de fabrication d’une grande lentille de Fresnel. La FIG. 1 représente, vue de dessus, le procédé hybride comprenant le système de guidage en rotation (1), le rouleau conique (2) ainsi que la plaque à manufacturer (3) qui est une sous-partie de la lentille de Fresnel. La FIG. 2 représente, vue de profil, le procédé hybride comprenant le rouleau conique (2) ainsi que la plaque à manufacturer (3) qui est une sous-partie de la lentille de Fresnel. Le rouleau est pressé sur la plaque à manufacturer. La FIG. 3 représente des exemples de différentes formes des sous-parties assemblables des grandes lentilles de Fresnel. La FIG. 4 représente des exemples d’assemblages formant une seule grande lentille de Fresnel de diamètre supérieur ou égal à 1,5m. Le dispositif de fabrication hybride comprend les éléments suivants : a. Un outil de moulage et d’usinage prenant la forme d’un rouleau conique. b. Des plaques en matériaux thermoformables de formes diverses assemblables en lentilles de Fresnel de grande taille. c. Un système de presse appliquant une pression du rouleau conique sur une plaque à manufacturer. d. Un système de chauffage et de maintien en température de l'outil rouleau conique. e. Un système de mise en rotation du rouleau conique. f. Un système de guidage en rotation du rouleau conique concentrique à la lentille de Fresnel. L'outil de moulage et d’usinage (élément a) possède les formes d’un moule positif des facettes d’une lentille de Fresnel. Le rouleau conique à formes positives des facettes d’une lentille de Fresnel est chauffé et maintenu à une température suffisante entre 40° et 1600°C afin de déformer des plaques à manufacturer, et une pression de l’outil sur la plaque à manufacturer permet un moulage par compression pendant le procédé de fabrication. Ces actions conduisent à ce que les plaques prennent la forme des facettes positives de l'outil de moulage. Les mouvements de l'outil comprennent des roulements sans glissement pour la partie moulage et des roulements avec glissement pour la partie usinage de la plaque. Les plaques ainsi manufacturées sont soumises à un processus d'ébavurage pour éliminer les bords rugueux, puis ajustées pour assurer une précision dimensionnelle. Le procédé de fabrication décrit dans ce brevet permet la production de lentilles de Fresnel de grandes dimensions (diamètre supérieur ou égal à 1,5 mètre), lentilles utilisées dans de nombreux domaines d’application tels que la production d’énergie solaire, le chauffage de matériaux pour des procédés industriels tels que la fonderie, la métallurgie ou le traitement chimique, ou encore la recherche scientifique que ce soit pour l’étude du comportement de la lumière, la concentration laser ou pour le développement de technologie optique. Ce procédé peut avoir un grand impact sur l'efficacité et la réduction des coûts de ces différents secteurs d’activités, ce qui en fait un outil précieux pour les ingénieurs, les chercheurs et les industriels travaillant dans ces domaines. Dispositif de fabrication hybride combinant moulage par compression et usinage pour la fabrication de sous parties assemblables de lentille de Fresnel de diamètre supérieur ou égal à 1,5 mètre, caractérisé en ce qu’il comporte les éléments suivants : Un outil de moulage et d’usinage prenant la forme d’un rouleau conique. Des plaques en matériaux thermoformables ayant des propriétés optiques de transmission de la lumière, tel que le verre transparent ou l'acrylique transparent, de formes diverses assemblables en lentilles de Fresnel de diamètre supérieur ou égal à 1,5 mètre. Un système de presse appliquant une pression du rouleau conique sur une plaque à manufacturer. Un système de chauffage et de maintien en température de l'outil rouleau conique. Un système de mise en rotation du rouleau conique. Un système de guidage en rotation du rouleau conique concentrique à la lentille de Fresnel. Dispositif de fabrication selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’outil possède les formes d’un moule positif des facettes d’une lentille de Fresnel. Procédé de mise en œuvre du dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que l’outil à formes positives des facettes d’une lentille de Fresnel soit chauffé et maintenu à une température comprise entre 40° et 1600°C afin de déformer les plaques à manufacturer. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce qu’il soit appliqué une pression uniforme de l’outil sur la plaque à manufacturer permettant un moulage par compression pendant le procédé de fabrication. Procédé de fabrication selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l’outil réalise des mouvements de roulement sans glissement pour la partie moulage, et des roulements avec glissement pour la partie usinage de la plaque. Procédé selon les revendications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que les plaques manufacturées assemblables, prennent les formes des facettes positive du rouleau. Procédé de fabrication selon la revendication 6 caractérisé en ce que les plaques du matériau à manufacturer forment des sous parties assemblables d’une lentille de Fresnel de diamètre supérieur ou égal à 1,5 mètre. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les sous parties de lentille de Fresnel manufacturées s'assemblent pour former une lentille de Fresnel polygonale ou circulaire de diamètre supérieur ou égal à 1,5 mètre.