BE1022257B1 - Structures cellulaires a grandes cellules en materiaux composites - Google Patents
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Abstract
La présente invention porte sur des structures cellulaires destinées essentiellement, mais de manière non-exhaustive, à la réalisation de panneaux et éléments en sandwich, c'est-à-dire étant constitués d'un matériau d'âme, la structure cellulaire, et des peaux assemblées de part et d'autre de la structure cellulaire. La structure cellulaire se distingue par la grande taille des cellules ainsi que par la versatilité de sa forme et des procédés de production. Les cellules peuvent avoir des parois planes ou incurvées en fonction du type de déformabilité que l'on souhaite obtenir. Outre la constitution de panneaux sandwiches, la structure cellulaire peut également être utilisée dans d'autres applications telles que décoratives, écrans solaires, structures de rétention de terre pour la stabilisation des sols ou pour la réalisation de murs végétaux ou de toitures végétales, éléments de station d'épuration des eaux etc. Dans sa configuration à cellules à parois incurvées, la structure cellulaire peut être aisément déformable dans une ou deux directions différentes pour former des surfaces dites synclastiques.
Description
STRUCTURES CELLULAIRES A GRANDES CELLULES EN MATERIAUX COMPOSITES
DOMAINE DE L’INVENTION
[0001 ] La présente invention concerne les structures cellulaires, généralement de forme ‘nid d’abeille’, mais pas exclusivement, destinées principalement à la réalisation d'éléments sandwiches de grandes dimensions.
ETAT DE L’ART
[0002] On connaît depuis de nombreuses années les structures en nid d'abeille destinées à la réalisation d’éléments en sandwiches ou pour d’autres applications telles que la rétention des terres pour la stabilisation des sols.
[0003] Ces structures en nid d’abeille sont constituées d’un assemblage de cellules de forme généralement hexagonale, rectangulaire, triangulaire ou quelconque en ce sens que les parois des cellules ne sont pas planes mais incurvées afin d’améliorer la déformabilité des cellules.
[0004] Le marché présente ces différentes formes de cellules en dimensions relativement petites allant de quelques millimètres (ou une fraction de pouce e.g. 3/16) à maximum 25mm, soit 1 pouce. Exceptionnellement, on rencontre des cellules de l’ordre de 50mm de diamètre pour les applications de stabilisation des sols.
[0005] Les matériaux les plus généralement proposés sont le carton, le papier ‘Nomex®’, l’aluminium, le polypropylène, les plastiques acryliques, le composite fibre de verre / résine époxy voire l’acier inoxydable ou les céramiques.
[0006] Les nids d’abeille disponibles sont généralement fabriqués par un empilement de feuilles préalablement encollées suivant un pas qui déterminera la dimension (diamètre) de la cellule qui sera ensuite étiré plus ou moins fort pour constituer une cellule hexagonale ou rectangulaire. Ce procédé s’applique aux nids d’abeille en carton ou en Nomex® ainsi qu’à l’aluminium de faible épaisseur.
[0007] Pour d’autres matériaux tels que l’aluminium de forte épaisseur, l'acier inoxydable ou le composite fibre de verre / résine époxy dans un état ‘B", le procédé de corrugation est généralement utilisé.
[0008] Enfin, des nids d’abeilles de formes très variées et en matières plastiques sont généralement réalisés par procédé d’extrusion, mais on connaît aussi des procédés continus de formage et découpe d’une feuille plastique qui sera ensuite soudée pour former les cellules.
[0009] Pour la réalisation des structures sandwiches, le matériau constituant l’âme peut être du nid d’abeille, mais aussi des mousses de densité variable ainsi que du bois léger, comme le balsa.
[0010] Tous ces matériaux présentent des limites tant physiques (résistance à la température, basse ou élevée, résistance aux agressions chimiques et environnementales) que mécaniques (résistance à la compression et au cisaillement principalement).
DESCRIPTION DE L’INVENTION
[0011] La présente invention porte sur des structures cellulaires dont le nom générique communément accepté est 'nid d’abeille’, en relation avec la forme généralement mais pas exclusivement hexagonale des cellules.
[0012] Les cellules constituant le ‘nid d’abeille' sont toujours de grandes dimensions en ce sens qu’elles se distinguent des produits commerciaux courants en ayant un diamètre du cercle inscrit supérieur à 25mm et pouvant aller jusqu’à plusieurs centaines de millimètres de diamètre inscrit.
[0013] Les cellules peuvent avoir une forme polygonale, généralement un hexagone, ou une forme quelconque issue de l’assemblage de plusieurs portions de cercles, d’ellipses ou de courbes concaves et convexes. Les dimensions caractéristiques sont le ‘Ribbon’, la largeur ‘W’ et l’épaisseur ‘T’ suivant l’usage communément admis (Figure 1).
[0014] Une cellule de forme polygonale a une déformation synclastique naturelle impossible, quelle que soit sa dimension. De même l’épaisseur de la paroi des cellules ainsi que la hauteur de l’élément cellulaire ne rendront pas possible ce type de déformation.
[0015] La forme polygonale implique toujours une déformation anticlastique, ce qui cantonne ce type de ‘nid d’abeille’ à des applications généralement planes, ou avec un rayon de courbure très grand par rapport à l’épaisseur de l’élément cellulaire.
[0016] On peut toutefois forcer la déformation vers la forme souhaitée, mais cela passe obligatoirement par une déformation éventuellement plastique et/ou élastique des parois des cellules, voire par leur rupture locale.
[0017] La mise en forme complexe de la structure cellulaire polygonale peut se faire par usinage, c’est-à-dire par un enlèvement de matière dans l’épaisseur de la structure ce qui conduit à obtenir des parois de cellules qui, une fois collées sur des peaux pour former une structure sandwich, ne seront pas normales à la tangente locale à la peau.
[0018] La forme quelconque de la structure cellulaire est obtenue par l’organisation et l’assemblage de parois ayant une forme arrondie (Figure 7). Cette forme donne naissance à une structure cellulaire de forme par exemple en écaille de poisson. Cette géométrie a la particularité de se déformer aisément dans les deux directions du plan de la structure cellulaire. Il s’agit d’une déformation dite ‘synclastique’. La forme quelconque est constituée au minimum de quatre portions de cercle, d’ellipse ou de courbes concaves et/ou convexes assemblées entre elles de manière à fermer le contour de la cellule. Une association des différents types de courbes est possible, pour autant que le contour soit fermé.
[0019] Le matériau utilisé pour la production de la structure cellulaire est toujours composite, c’est-à-dire qu’il est constitué d’une fibre de renfort, longue ou courte, associée à une matrice polymère destinée à maintenir la forme, à immobiliser les fibres et à transmettre les contraintes d’une fibre à l’autre.
[0020] Ce matériau composite peut être constitué par exemple, mais de manière non-exhaustive, de fibres de verre, de carbone, de kevlar® ou autres matières synthétiques, de fibres naturelles ou minérales (e.g. le basait) ou des associations de ces fibres entre elles.
[002 ] ] La matrice peut être indifféremment de type thermodurcissable ou thermoplastique.
[0022] Le choix des associations de fibres et de la matrice dépendra du type d’application, de l’environnement, des contraintes économiques et industrielles en ce sens que le choix de la matrice entraîne des procédés de transformation qui diffèrent selon qu’il s’agit d’une matrice thermodurcissable ou d’une matrice thermoplastique.
[0023] Quelle que soit la matrice utilisée, la teinte peut être soit naturelle soit adaptée à l’application par l’utilisation de pigments.
[0024] Aussi, la matrice choisie peut être adaptées pour des applications dont la résistance au feu est une contrainte importante, par exemple dans le secteur des transports ou pour les applications du bâtiment.
[0025] Quel que soit le type de matrice et le procédé de mise en oeuvre, des charges minérales, organiques, ou de synthèse comme les nanotubes de carbone peuvent être utilisées afin de modifier le comportement et les propriétés physiques et mécaniques de la matrice.
[0026] Toute application extérieure, même lorsque le matériau cellulaire est utilisé comme constituant l’âme d’un panneau sandwich, devra faire appel à des matrices résistantes au rayonnement UV. C’est le cas, par exemple, pour des panneaux sandwiches translucides qui peuvent être structuraux ou simplement décoratifs.
[0027] La structure cellulaire peut être utilisée telle quelle, par exemple pour réaliser des écrans solaires ou des cloisons décoratives et ajourées.
[0028] Les peaux à coller de part et d'autre de la structure cellulaire afin de constituer une structure sandwich peuvent être réalisées avec tout matériau rigide, quelle que soit l’épaisseur. Les matériaux comme le bois, par exemple sous forme de contreplaqué, le métal, le plastique, les matériaux composites peuvent constituer les peaux. Les peaux peuvent être indifféremment opaques ou translucides. Leur collage s’effectue grâce à des colles liquides, pâteuses, sous forme de film, thermofusibles ou par l’ajout d’une couche de matériau composite ou, dans le cas d’une peau en matériau composite, éventuellement directement sur celle-ci dans la matrice non durcie. Cette dernière sert alors de colle pour assurer la liaison peau / structure cellulaire.
[0029] Les procédés de fabrication de la structure cellulaire se divisent en deux familles, c’est-à-dire les procédés continus et les procédés intermittents. Les procédés continus permettent de produire soit des cellules complètes associées de manière à définir une ligne de cellules ou une matrice de cellules soit une bande ‘ondulée’ représentant une suite de demi-cellules, les deux procédés produisant, par définition, des éléments dont la longueur pourrait être infinie. Les procédés intermittents permettent de produire soit des cellules complètes associées afin de définir une ligne de cellules ou une matrice de cellules soit une bande ‘ondulée’ représentant une suite de demi-cellules, le tout avec des dimensions finies.
[0030] Le laminage en continu permet de produire une série définie de demi-cellules organisées côte à côte sur une longueur théoriquement infinie. La direction de production de la plaque ondulée est la direction ‘T’ (Figure 2). La plaque ondulée ainsi produite (201) est coupée à longueur régulière pour la facilité de la manutention ainsi que pour l'assemblage.
[0031] La pultrusion en continu (Figure 3) permet de produire une série de demi cellules (301) ou des cellules complètes organisées en ligne (302) suivant la direction ‘Ribbon’ ou en matrice (303), afin de définir la structure cellulaire. La matrice cellulaire représente les directions 'Ribbon’ et ‘W’. Le nombre de cellules associées dépend uniquement de la capacité de passage de la machine de pultrusion. La direction de production, autrement connue comme la direction de traction de la machine, constitue la direction ‘T’ de la structure cellulaire et est d’une longueur théoriquement infinie.
[0032] La corrugation en continu (Figure 4) est un procédé qui permet de produire une bande ondulée (401) représentant la succession des demi-cellules et dont la direction de production est la direction ‘Ribbon’ dont la longueur est théoriquement infinie. La largeur finie de la bande ondulée représente alors la direction ‘T’.
[0033] Pour l’assemblage des éléments produits les procédés continus décrits en [0030] et (figure 5), les bandes ondulées (501) sont collées en opposition de manière à créer la forme fermée des cellules (502) et la structure cellulaire. L’empilement des bandes ainsi collées constitue la direction ‘W’ de la structure cellulaire. Le bloc obtenu après assemblage sera tranché à l’épaisseur ‘T’ souhaitée.
[0034] Pour le procédé continu décrit en [00031], les lignes de cellules ou les matrices de cellules produites seront assemblées soit dans la direction ‘Ribbon’, soit dans la direction 1W’, soit dans les deux directions à la fois. Une fois l’assemblage réalisé, le bloc ainsi constitué sera tranché à l’épaisseur ‘T’ souhaitée.
[0035] Les procédés intermittents se distinguent des précédents par l'interruption nécessaire au durcissement d’une portion finie de la structure cellulaire. Trois procédés permettent de créer la base qui deviendra une cellule fermée, quelle que soit sa forme, c’est-à-dire polygonale ou quelconque : le RTM, la compression à chaud ou à froid et la stratification manuelle.
[0036] Le procédé RTM (Resin Transfer Moulding) ou moulage par transfert de résine est applicable à la fabrication d’une plaque ondulée constituée d’une suite de demi-cellules ou pour constituer une ligne de cellules ou une matrice complète de cellules (Figure 6). Le procédé se base sur la saturation de la fibre par la matrice injectée sous pression dans un outillage contenant la fibre mise en forme. L’outillage est constitué de noyaux (601) enrobés par la fibre de renfort et déposés / encastrés sur un couvercle (603). Les noyaux (601) sont complètement entourés par un cadre (602) qui ferme le contour. L’ensemble est recouvert par un deuxième couvercle (603) et est fermé de manière étanche. L’espace entre les noyaux eux-mêmes et le cadre constitue l’épaisseur de paroi des cellules.
[0037] Le procédé RTM est pris au sens générique du terme et inclut tous les procédés qui s’y rattachent comme l’infusion sous vide, le RTM Light ou Eco, le RTM lourd, le SQRTM, le RFI etc.
[0038] La compression à chaud ou à froid permet de fabriquer des séries de demi-cellules sous forme d’une bande ondulée de dimensions finies. Elle peut produire également des cellules complètes d’une certaine épaisseur ‘T’, sur une longueur ‘Ribbon’ définie et une largeur ‘W’ également définie par une ou plusieurs cellules.
[0039] Quel que soit le procédé intermittent utilisé, les plaques ondulées, ou les lignes et matrices de cellules seront assemblées et/ou découpées pour obtenir les panneaux aux dimensions ‘Ribbon’, ‘T’ et ‘W’ souhaitées.
[0040] La stratification manuelle ne permet que la production de bandes ondulées constituées d’une suite de demi-cellules ayant des dimensions ‘Ribbon’ et ‘T’ finies, la direction ‘W’ étant constituée par la géométrie (l’ondulation) du moule.
Claims (1)
- REVENDICATIONS [01] Structures cellulaires et nids d’abeille dont le diamètre inscrit des cellules est toujours supérieur ou égal à 30 millimètres et est toujours grand par rapport à l’épaisseur utile de la structure, c’est-à-dire que le rapport diamètre inscrit divisé par l’épaisseur est supérieur ou égal à 0.1. [02] Nids d’abeille et structures cellulaires tels que revendiqués en [01] réalisés en matériaux composites constitués de fibres de renfort, longues ou courtes, enfermées dans une matrice polymère de nature thermodurcissable ou thermoplastique. [03] Nids d'abeille et structures cellulaires tels que revendiqués en [01] et [02] dont la matrice est modifiée par l’adjonction de charges minérales, organiques, de synthèse et ou par des pigments et autres additifs agissants sur les propriétés chimiques, mécaniques et physiques de la matrice. [04] Nids d’abeille et structures cellulaires tels que revendiqués en [01], [02] et [03] dont la forme des cellules peut être polygonale, c’est-à-dire comporter 3, 4, 5 ou 6 côtés de longueurs égales ou inégales dont l’assemblage présente un contour fermé. [05] Nids d’abeille et structures cellulaires tels que revendiqués en [01], [02], [03] et [04] dont la forme des cellules peut être quelconque c'est-à-dire constituée par l'assemblage de courbes issues de cercles, ellipses ou toute autre forme courbe qui forment un contour fermé. [06] Nids d’abeille et structures cellulaires tels que revendiqués de [01] à [05] fabriqués par procédés continus tels que le laminage en continu, la pultrusion ou la corrugation ou par procédés intermittents tels que le RTM (au sens générique du terme), la compression à chaud ou à froid et la stratification manuelle. [07] Nids d’abeille et structures cellulaires tels que revendiqués de [01] à [06] associés à des peaux fixées de part et d’autre de la structure cellulaire et destinés à la fabrication d’éléments en sandwich, translucides ou opaques, structuraux ou décoratifs. [08] Nids d’abeille et structures cellulaires tels que revendiqués de [01] à [06] destinés à la fabrication d’éléments de décoration, de partition, de rangement, de protection solaire ou pour la stabilisation des sols, des terres ou de substrats de culture, par exemple pour la réalisation de murs et toitures végétalisés.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN106671538A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-17 | 四川纽湃斯新材料有限公司 | 具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料及其制备方法 |
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| US5445861A (en) * | 1992-09-04 | 1995-08-29 | The Boeing Company | Lightweight honeycomb panel structure |
| US20020060462A1 (en) * | 1998-07-02 | 2002-05-23 | Glance Patrick M. | Bumper beam absorber |
-
2013
- 2013-09-23 BE BE2013/0628A patent/BE1022257B1/fr not_active IP Right Cessation
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| ANONYME: "nidagravel® stabilisation de gravier", 17 April 2012 (2012-04-17), XP002725433, Retrieved from the Internet <URL:http://web.archive.org/web/20120417065626/http://www.bauma-stone.com/pdf/nida_fr.pdf> [retrieved on 20140605] * |
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| CN106671538B (zh) * | 2016-12-30 | 2021-05-14 | 四川纽湃斯新材料有限公司 | 具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料及其制备方法 |
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