EP4146882A1 - Structure pneumatique et procédé de fabrication associé - Google Patents

Structure pneumatique et procédé de fabrication associé

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EP4146882A1
EP4146882A1 EP21724658.6A EP21724658A EP4146882A1 EP 4146882 A1 EP4146882 A1 EP 4146882A1 EP 21724658 A EP21724658 A EP 21724658A EP 4146882 A1 EP4146882 A1 EP 4146882A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
configuration
pneumatic structure
cavity
inextensible
pressurized
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21724658.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
José BICO
Emmanuel SIEFERT
Benoît ROMAN
Etienne REYSSAT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville de Paris ESPCI
Sorbonne Universite
Universite Paris Sciences et Lettres
Universite Paris Cite
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville de Paris ESPCI
Sorbonne Universite
Universite Paris Sciences et Lettres
Universite Paris Cite
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville de Paris ESPCI, Sorbonne Universite, Universite Paris Sciences et Lettres, Universite Paris Cite filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Pending legal-status Critical Current

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    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H15/00—Tents or canopies, in general
    • E04H15/20—Tents or canopies, in general inflatable, e.g. shaped, strengthened or supported by fluid pressure
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G11/00—Forms, shutterings, or falsework for making walls, floors, ceilings, or roofs
    • E04G11/04—Forms, shutterings, or falsework for making walls, floors, ceilings, or roofs for structures of spherical, spheroid or similar shape, or for cupola structures of circular or polygonal horizontal or vertical section; Inflatable forms
    • E04G11/045—Inflatable forms
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    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47C—CHAIRS; SOFAS; BEDS
    • A47C27/00—Spring, stuffed or fluid mattresses or cushions specially adapted for chairs, beds or sofas
    • A47C27/08—Fluid mattresses
    • A47C27/10—Fluid mattresses with two or more independently-fillable chambers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61G—TRANSPORT, PERSONAL CONVEYANCES, OR ACCOMMODATION SPECIALLY ADAPTED FOR PATIENTS OR DISABLED PERSONS; OPERATING TABLES OR CHAIRS; CHAIRS FOR DENTISTRY; FUNERAL DEVICES
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    • A61G7/05—Parts, details or accessories of beds
    • A61G7/057—Arrangements for preventing bed-sores or for supporting patients with burns, e.g. mattresses specially adapted therefor
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    • E04H2015/206—Details of inflation devices, e.g. valves, connections to fluid pressure source

Definitions

  • TITLE Pneumatic structure and associated manufacturing process
  • the present invention relates to a pneumatic structure.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing such a pneumatic structure.
  • Such a structure is intended to be used to form three-dimensional objects of predefined structure, from a reference shape, by applying an overpressure in internal cavities of the structure.
  • the three-dimensional objects are, for example, biomedical equipment, leisure or rehabilitation equipment, parts of furniture, or even industrial structures.
  • the structure is pneumatic.
  • the transition from the rest configuration to the deployed configuration is achieved by inflating the structure with a fluid, in particular air.
  • These structures generally have a plurality of internal channels, which, after inflation, generate substantial deformations of the structure, so that it bends, that it elongates, that it contracts, or that it twists during pressurization.
  • the structures described in US 9,464,642 are for example used as pneumatic actuators.
  • the deformation of the internal cavities is very important. It generally occurs in only one direction and it induces an expansion in the cavities which strongly deforms the structure.
  • An aim of the invention is therefore to obtain a pneumatic structure which can be easily activated in order to change shape rapidly and obtain a controlled and reproducible shape exhibiting improved rigidity.
  • the invention relates to a pneumatic structure comprising an inextensible body defining at least one network of internal cavities, each cavity having a closed contour in at least one section of the cavity, each cavity being suitable for being pressurized.
  • the inextensible body having a macroscopic metric distinct from its macroscopic metric in the rest configuration, each cavity being formed of 'at least two substantially rectilinear channels, each channel being fluidly connected to at least one of the other channels, the two said channels forming a heading change angle, each cavity comprising at least one non-zero heading change angle, in particular at least three angles of safe course changes.
  • the structure according to the invention may include one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination: the value of the angle of change of heading of each channel varies along a cavity; each channel has a width, defined laterally in said section and in the rest configuration, less than a third of the length of said channel, in particular less than half the length of said channel;
  • At least one cavity comprises a channel separating into at least two channels
  • the inextensible body is suitable for receiving an overpressure with respect to atmospheric pressure, the inextensible body being in the rest configuration in the absence of overpressure, the inextensible body being in the pressurized configuration when the internal pressure of each cavity is greater than a so-called deployment pressure equal to the Young's modulus multiplied by the ratio to the cube of the thickness of the inextensible body over the minimum width of the channels; in the rest configuration, the inextensible body has a flat shape, in particular a disc or flat rectangle shape, the pneumatic structure being foldable in said rest configuration; in the pressurized configuration, the inextensible body defines an outer shell having a three-dimensional shape, the pneumatic structure having a flexural modulus in the pressurized configuration greater than 100 times the flexural modulus of the pneumatic structure in the rest configuration ;
  • the pneumatic structure has symmetry with respect to a central axis or with respect to a plane of symmetry in the rest configuration
  • the inextensible body has a periphery in the rest configuration, each cavity extending to the periphery, in a direction substantially tangent to the periphery or in a direction substantially orthogonal to the periphery;
  • the inextensible body defines at least one opening, the ratio between the area of the opening and the area of the inextensible body being less than 70%;
  • the inextensible body comprises at least two flat layers of similar contours welded together;
  • the inextensible body comprises at least three superimposed layers, the inextensible body defining at least a first network of cavities between two successive layers and at least a second network of cavities between two other successive layers, the first network and the second network being advantageously clean to be pressurized independently of each other, and
  • the pneumatic structure forms: biomedical equipment, a furniture component, leisure equipment, in particular a tent or a swimming pool, tableware equipment, in particular a plate, or industrial equipment of adaptable shape, in particular a formwork for a structure concrete.
  • the subject of the invention is also a method of manufacturing a structure as defined above, comprising at least the following steps: supply of at least two flat layers of similar shapes, arrangement of the layers one on top of the other , and welding the layers together according to a predefined pattern in order to form the cavities.
  • the manufacturing process according to the invention can include one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination: the welding step according to the predefined pattern is carried out by a soldering iron, advantageously controlled by a computer ; the method comprises a step of arranging a release paper between each layer before the welding step, the release paper defining the predefined pattern, the step of welding the layers being carried out by a flat heating press, and the welding step is carried out by a heating press having the shape of the pattern.
  • FIG 1 is a view of a first pneumatic structure according to the invention, in a rest configuration
  • FIG 2 is in perspective of the first structure of Figure 1, in a pressurized configuration
  • FIG 3 is a perspective and sectional view of part of the first structure of Figure 1 in the rest configuration on the left and in the pressurized configuration on the right;
  • Figure 4 is an explanatory top view of the angle of change of heading, in the rest configuration on the left and in the pressurized configuration on the right;
  • FIG 5 is a top and bottom view of a second pneumatic structure according to the invention, in a rest configuration
  • FIG 6 is a perspective view of the second structure of Figure 5, in a pressurized configuration
  • FIG 7 is a view of a third pneumatic structure according to the invention, in a rest configuration
  • FIG 8 is a view similar to Figure 7, in a pressurized configuration
  • FIG 9 is a view of a fourth pneumatic structure according to the invention, in a rest configuration
  • FIG 10 is a perspective view of the fourth structure of Figure 9, in a pressurized configuration
  • FIG 11 is a view of a fifth pneumatic structure according to the invention, in a rest configuration
  • FIG 12 is a perspective view of the fifth structure of Figure 11, in a pressurized configuration and in an intermediate configuration;
  • FIG 13 is a perspective representation of an implementation of a first manufacturing process according to the invention of the structure of Figure 1;
  • FIG 14 is a perspective representation of an implementation of a second manufacturing process according to the invention of the structure of Figure 1.
  • a first pneumatic structure 10 according to the invention is illustrated schematically in Figures 1 to 4.
  • the structure 10 comprises an inextensible body 12 internally defining a plurality of internal cavities 14, suitable for being pressurized in order to pass the inextensible body 12 from a rest configuration, shown in FIG. 1, to a pressurized configuration, shown in figure 2.
  • the structure 10 further comprises at least one pressurizing port 13, communicating with the internal cavities 14 to allow the pressurization of the cavities 14.
  • the inextensible body 12 is configured, by the structure of the internal cavities 14 which it contains, to deform in a reversible manner between its rest configuration, which is advantageously flat, and at least one configuration. in pressure, in which it adopts a three-dimensional shape, the macroscopic metric of the inextensible body 12 in the pressurized configuration being different from the macroscopic metric of the inextensible body 12 in the rest configuration.
  • macroscopic metric of the inextensible body is meant the set of distances separating two different points of the median surface defined within the inextensible body 12 between its upper surface and its lower surface.
  • the inextensible body 12 has a Gaussian curvature different from its Gaussian curvature in the rest configuration.
  • the Gaussian curvature is zero in the rest configuration and is non-zero, for example positive or negative, in the pressurized configuration.
  • Gaussian curvature or “Gaussian curvature” is meant the product of the principal curvatures at a given point of a surface.
  • Gaussian curvature of a sheet that is flat or rolled up in a cone or cylinder is zero. It is positive for a sphere and negative for a saddle.
  • inextensible body is understood to mean the fact that the body is not suitable for being elongated by extension when the pressure applied to this body is less, in particular 10 times less, advantageously 100 times less, than a so-called inextensibility pressure. equal to the Young's modulus of the body multiplied by the ratio between the thickness of the inextensible body 12 and the maximum width (we) of the cavities 14, defined laterally in a cross section of the cavity 14, in the rest configuration.
  • Young's modulus is measured at 23 ° C according to the NFT 46-002 standard.
  • the Young's modulus of the material of the inextensible body 12 is about 1 GPa
  • the thickness of the inextensible body 12 is about 100 ⁇ m
  • the maximum width is about 5 cm.
  • the inextensibility pressure is then equal to 20 bars.
  • the inextensible body 12 is for example made of nylon.
  • the inextensible body 12 is composed of nylon fabrics impregnated in urethane, polyethylene, polypropylene or polypropylene terephthalate thermoplastic.
  • the inextensible body 12 is composed of fabrics of plant origin such as cotton or linen, for example.
  • the inextensible body 12 comprises two layers 16 of similar shapes, here round, welded together.
  • the cavities 14 are thus defined between the two superposed layers 16.
  • the inextensible body 12 defines at least three cavities 14, in particular at least ten cavities 14.
  • each cavity 14 is delimited, in at least one cross section of the cavity 14, laterally by two welds 18 facing each other.
  • the width of the welds 18 is typically between 0.1 mm and 100 mm.
  • each cavity 14 is delimited above by an upper region formed by one of the layers 16 and below by a lower region formed by the other layer 16.
  • Each cavity 14 has a closed contour in this section.
  • the outline has a flattened shape in the rest configuration, as visible on the left of Figure 3, and an oval shape, here round, in the pressurized configuration, as visible on the right of Figure 3.
  • the two layers 16 are substantially parallel to each other.
  • the thickness of the inextensible body 12 taken opposite a cavity 14 is less than or equal to 200% of the sum of the thicknesses of the layers 16 opposite, advantageously less than 105% of the sum of thicknesses of the layers 16 opposite.
  • the width (w-e) of the cavity 14 is typically between 1 mm and 2000 mm.
  • the thickness of the inextensible body 12 taken opposite a cavity 14 is substantially equal to 2 (w-b) / tt.
  • the cavities 14 of at least one network of cavities 14 are interconnected. In this example, all the cavities 14 are interconnected at the level of the center of the structure 10.
  • each network of interconnected cavities 14 is connected to a respective port 13 to allow their selective pressurization.
  • the inextensible body 12 has a periphery 17 in the rest configuration, here of generally round shape.
  • the cavities 14 extend radially from a central axis A-A 'of the inextensible body 12 towards the periphery 17.
  • the structure 10 here presents a symmetry with respect to the central axis A-A ’.
  • each cavity 14 has a similar pattern, the structure 10 being formed by the reproduction by rotation about the central axis A-A ’of symmetry of this pattern.
  • Each cavity 14 extends in a direction substantially orthogonal to the periphery 17.
  • the tangent to the periphery 17 is orthogonal to the direction of extension of the cavity 14.
  • Each cavity 14 is sealed along the periphery 17, in order to seal the network of cavities 14, in particular by a seam or a weld in the form of a festoon.
  • each cavity 14 is formed of at least two substantially rectilinear channels 19 extending end to end.
  • Each channel 19 has a width (we), defined laterally in a cross section in the rest configuration, less than a third of the length L of said channel 19, in particular less than half of the length L of the channel 19.
  • Each channel 19 is fluidly connected to at least one of the other channels 19 of the cavity 14, the two said channels 19 forming a change of course angle c, c ’, at their common end.
  • each channel 19 extends in its own direction, two consecutive channels 19 then forming the angle of change of heading X.X ’ ⁇
  • the angle of change of course is associated with the symbol c in the rest configuration and the symbol c ’in the pressurized configuration.
  • each cavity 14 includes at least one non-zero heading change angle c, c, in particular at least three non-zero heading change angles c, c.
  • each cavity 14 has the shape of a broken line or in other words of a zigzag.
  • Each angle of change of course c, c ’ is advantageously between 20 ° and 160 °.
  • the angle of change of course c, c 'along a cavity from the periphery 17 to the center of the structure 10 is an increasing function.
  • the zigzag becomes more and more tightened towards the center of the structure 10.
  • At least one cavity 14 comprises a channel 19 separating into at least two channels 19.
  • each channel 19 separates into two channels 19 which each separate again into two channels 19.
  • the inextensible body 12 exhibits a first macroscopic metric.
  • the inextensible body 12 has a flat shape, here in the form of a flat disc. No excess pressure is applied to the cavities 14 and, as visible on the left of FIG. 3, the outline of each cavity 14 has a flattened shape.
  • each channel 19 has a heading variation angle x with the adjacent channels 19, as shown to the left of figure 4.
  • the structure 10 is foldable, in particular foldable by hand by a human being.
  • the structure 10 has a bending stiffness per unit of width equal to the Young's modulus of the material of the inextensible body 12 multiplied by the cube of the thickness of the inextensible body of 12.
  • the structure 10 is said to be pliable, if this bending stiffness is less than 1 Nm
  • the bending stiffness is less than 10 3 Nm when the inextensible body 12 has a thickness approximately equal to 100 ⁇ m and a Young's modulus approximately equal to 1 GPa.
  • the inextensible body 12 has a second macroscopic metric distinct from the first macroscopic metric.
  • the inextensible body 12 defines an outer envelope having a three-dimensional shape, here a shell shape.
  • Each cavity 14 is suitable for receiving an overpressure with respect to atmospheric pressure.
  • the inextensible body 12 passes into the pressurized configuration when the internal pressure of each cavity 14 is greater than a so-called deployment pressure equal to the Young's modulus multiplied by the ratio to the cube of the thickness of the inextensible body over the minimum width of the channels.
  • each cavity 14 has an oval shape, here round, as visible on the right of FIG. 3.
  • each channel 19 then has a heading variation angle c 'with the adjacent channels 19 less than the heading variation angle c at rest, as shown to the right of FIG. 4.
  • the inextensible body 12 in the pressurized configuration is then self-supporting, i.e. it is able to maintain itself in its modified metric, against its own weight, without having to it is necessary to provide an external support frame.
  • the pneumatic structure 10 has a flexural modulus at least 100 times greater than the flexural modulus of the pneumatic structure 10 in the rest configuration.
  • a second pneumatic structure 110 according to the invention is illustrated schematically in Figures 5 and 6.
  • the second structure 110 differs from the first structure 10 in that the inextensible body 12 comprises four superimposed layers 16.
  • the inextensible body 12 defines a first network of cavities 14 between the two first successive layers 16 and a second network of cavities 14 between the last two successive layers 16.
  • each array of cavities 14 is similar to that of the first structure 10.
  • the first network of cavities 14 differs in that an opening 20 is formed on the first two layers 16, in the center of the inextensible body 12.
  • the ratio between the area of the opening 20 and the area of the extensible body 12 is less than 70%, in particular less than 50%, preferably less than 25%.
  • the inextensible body 12 then adopts the shape of a flattened sphere, or in other words of a lens.
  • the flattened sphere is composed of a shell similar to that of structure 10 formed by the second network of cavities 14 and a truncated dome formed by the first network of cavities 14.
  • each cavity network is able to be pressurized independently of the other networks. It is thus possible to obtain several pressurized configurations.
  • the structure 110 In the first pressurized configuration, the structure 110 has a shell shape similar to that shown in Figure 2.
  • the structure 110 has the shape of a truncated dome.
  • FIG. 7 a third pneumatic structure 210 according to the invention is illustrated schematically in Figures 7 and 8.
  • the third structure 210 differs from the first structure 10 in that the inextensible body 12 has a flat rectangular shape in the rest configuration, extending in a main direction B-B '.
  • the cavities 14 extend parallel to each other perpendicular to the main direction B-B '.
  • the inextensible body 12 thus has symmetry with respect to a plane P, orthogonal to the main direction B-B 'and with respect to a Q plane comprising the main direction B-B' and orthogonal to the plane of the structure 210 in the configuration rest.
  • the periphery 17 here has a rectangular shape.
  • Each cavity 14 extends in a direction substantially orthogonal to the periphery 17.
  • the two cavities 14 arranged at the ends of the inextensible body 12 further extending in a direction substantially tangent to the periphery 17.
  • the third structure 210 then has a helix shape in the pressurized configuration.
  • a fourth pneumatic structure 310 according to the invention is illustrated schematically in Figures 9 and 10.
  • the fourth structure 310 differs from the third structure 210 in that the pattern of the network of cavities 14 has two foci 22 from which radially extend from the cavities 14, the longitudinal ends of the inextensible body 12.
  • the foci 22 are connected by cavities 14 extending longitudinally.
  • the contraction of the cavities 14 causes the fourth structure 310 to pass into a three-dimensional shape.
  • This three-dimensional shape has two positions. In the first position, shown in Figure 10, the three-dimensional shape has a wavy shape with an inflection point located between the two foci 22.
  • the three-dimensional shape has an arc shape without a point of inflection.
  • the structure 310 is able to pass from one position to another by the exercise of a force on one of the ends of the inextensible body 12 in order to cause a rotation of this end with respect to the adjacent focus 22, as represented by the arrows in figure 10.
  • a fifth pneumatic structure 410 is illustrated schematically in Figures 11 and 12.
  • the fifth structure 410 differs from the first structure 10 in that the inextensible body 12 has a shape of a disk sector extending over an angular extent between 0 ° and 360 °, defined between two edges 24 extending from the inextensible body center 12.
  • the inextensible body 12 is configured to pass from the configuration at rest, shown in Figure 11, to the pressurized configuration, shown in solid lines in Figure 12, through an intermediate configuration, shown in dotted lines in Figure 12 .
  • the intermediate configuration is obtained from the rest configuration by bringing together and fixing the two edges 24.
  • the two edges 24 are fixed together by fixing means, such as hooks or adhesive tape.
  • the intermediate configuration therefore has a three-dimensional shape without any overpressure being applied in the cavities 14.
  • the inextensible body 12 has the shape of a cone of revolution, as shown in dotted lines in FIG. 12.
  • the passage from the intermediate configuration to the pressurized configuration is obtained by pressurizing the cavities 14, thus causing the cavities 14 to contract.
  • the inextensible body 12 then has the shape of a concave cone, or in other words of a pavilion, as shown in solid lines in FIG. 12.
  • a sixth structure differs from the first structure 10 in that the inextensible body 12 has two pressurized configurations.
  • the inextensible body 12 defines two networks of cavities 14 separated between the two layers 16 each comprising a respective port 13 for each network.
  • Each network of cavities 14 has a different respective pattern.
  • the inextensible body 12 is able to pass from the rest configuration to a first configuration pressurized by pressurizing the first network of cavities 14, no overpressure being applied in the second network.
  • the sixth structure then has a first three-dimensional shape, for example a shell shape as shown in Figure 2.
  • the inextensible body 12 is also able to pass from the rest configuration to a second configuration pressurized by pressurizing the second network of cavities 14, no overpressure being applied in the first network.
  • the sixth structure then has a second three-dimensional shape, different from the first shape, for example a cone shape.
  • the shapes and dimensions of the inextensible body 12 in the rest configuration and in each of the pressurized configurations are chosen, for example, so that the structure 10, 110, 210 , 310, 410 forms a biomedical equipment, in particular a deployable endoprosthesis, or an actuator for manipulation and displacement of biological tissue.
  • the material of the inextensible body 12 is biocompatible.
  • the structure 10, 110, 210, 310, 410 forms sports and rehabilitation equipment.
  • the structure 10, 110, 210, 310, 410 forms an adjustable form assist device for strength training or rehabilitation.
  • the structure 10, 110, 210, 310, 410 forms a deployable inflatable structure for high fashion, aerospace or for an outdoor activity, such as tents, bowls or other accessories.
  • the structure When the structure forms a tent, the structure comprises for example an opening 20 forming a door and an opening 20 forming a window.
  • the ratio between the area of the opening 20 forming the window and the area of the inextensible body 12 is advantageously less than 25%.
  • the ratio between the area of the opening 20 forming the door and the area of the inextensible body 12 is advantageously less than 50%.
  • the ratio between the area of the opening 20 on the roof and the area of the inextensible body 12 is preferably less than 50%.
  • the structure 10, 110, 210, 310, 410 forms part of a piece of furniture, for example a continuously deformable furniture panel or a pneumatically activatable hinge.
  • the structure 10, 110, 210, 310, 410 forms industrial equipment, having a shape adapted according to use, for example a formwork for a concrete structure, a deformable headrest which conforms to the shape. head, or a variable-shaped wind turbine blade to optimize performance.
  • the structure 10, 110, 210, 310, 410 forms an impact-resistant packaging surrounding a fragile object in order to protect it.
  • the structure 10, 110, 210, 310, 410 forms a thermal or sound insulator.
  • At least two layers 16 of similar shapes are provided.
  • two layers 16 in the form of discs are provided.
  • Layers 16 are arranged on top of each other.
  • the shape and the corresponding metric of the structure 10 and the cavities 14 in the rest configuration are calculated to obtain the position of the welds 18 to be applied according to a predefined pattern.
  • the manufacturing process then comprises a step of welding the layers 16 together according to the predefined pattern in order to form the cavities 14.
  • soldering step according to the predefined pattern is performed by a soldering iron 26, as shown in Figure 13.
  • the soldering iron 26 is advantageously controlled by a computer 28.
  • the computer 28 includes a memory in which the predefined pattern is stored. The computer 28 then controls the movement of the soldering iron 26 according to the predefined pattern.
  • soldering iron 26 is operated by an operator.
  • a second manufacturing method differs from the first method in that the method comprises a step of arranging a release paper 30 between each layer 16 before the welding step.
  • non-stick is understood to mean that the paper has, with the layers 16, an adhesion energy of less than 100 mJ / m 2 .
  • the release paper 30 is, for example, baking paper.
  • the release paper 30 defines the predefined pattern. Thus, the pattern is cut from the release paper 30, only the complementary part of the solder pattern being kept.
  • the step of welding the layers 16 is then carried out by a flat heating press 32.
  • the welds 18 are then made at the level of the pattern defined by the release paper 30, the release paper 30 preventing the layers 16 from being welded together outside the pattern.
  • the method includes a step of cutting the boundary 17 in order to obtain the structure 10.
  • a third manufacturing method differs from the first method in that a heating press whose shape coincides with the pattern of the desired welds.
  • the welding step is then performed by the heating press having the shape of the pattern.
  • the present invention has a number of advantages. Indeed, the structures 10, 110, 210, 310, 410, according to the invention are easily deployable and make it possible to achieve predetermined shapes by the pattern of the networks of the cavities 14 contained in the inextensible body 12.
  • the inextensible body 12 is foldable or rollable and therefore easy to store and compact.
  • the inextensibility of the body 12, the small width of the channels 19 relative to their length and the broken line shape of the cavities 14 makes it possible to obtain a structure having significant rigidity. Furthermore, the structure 10, 110, 210, 310, 410 according to the invention is easy to manufacture, reproducibly and at a low manufacturing cost.
  • the invention therefore allows an advantageous use of the structure 10, 110, 210, 310, 410 in many applications such as biomedicine, recreation or industry.

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Abstract

La présente invention concerne une structure pneumatique (10) comportant un corps inextensible (12) définissant au moins un réseau de cavités internes (14), chaque cavité présentant un contour fermé dans au moins une section de la cavité, chaque cavité étant propre à être mise en pression pour faire passer le corps inextensible d'une configuration de repos à au moins une configuration mise en pression, dans chaque configuration mise en pression, le corps inextensible présentant une métrique macroscopique distincte de sa métrique macroscopique en configuration de repos, chaque cavité étant formée d'au moins deux canaux sensiblement rectilignes, chaque canal étant relié fluidiquement à au moins l'un des autres canaux, les deux dits canaux formant un angle de changement de cap, chaque cavité comprenant au moins un angle de changement de cap non nul, notamment au moins trois angles de changements de cap non nuls.

Description

TITRE : Structure pneumatique et procédé de fabrication associé
La présente invention concerne une structure pneumatique.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une telle structure pneumatique.
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 surpression dans des cavités internes de la structure.
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 laquelle la structure présente un volume d’usage et une rigidité suffisante pour son utilisation.
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, notamment de l’air.
Les structures pneumatiques tridimensionnelles traditionnelles sont obtenues par l’assemblage complexe de membranes planes par collage le long de leur périphérie, ce qui est une opération délicate, une forme complexe faisant intervenir un nombre élevé de pièces.
En outre, ces structures tridimensionnelles 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 internes 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.
On connaît également du document US 9,506,455 une structure pneumatique réalisée à partir d’un corps inextensible et ne présentant ainsi pas de problème de déformation du matériau. Toutefois, la rigidité des structures tridimensionnelles obtenues est relativement faible et ne permet ainsi qu’une utilisation limitée de cette structure, comme par exemple supporter un verre en plastique ou un stylo pour les structures décrites dans US 9,506,455. Ces structures conservent une orientation partout identique des canaux et ainsi une courbure unidirectionnelle.
Un but de l’invention est alors d’obtenir une structure pneumatique simplement activable pour changer rapidement de forme et obtenir une forme contrôlée et reproductible présentant une rigidité améliorée.
À cet effet, l’invention a pour objet une structure pneumatique comportant un corps inextensible définissant au moins un réseau de cavités internes, chaque cavité présentant un contour fermé dans au moins une section de la cavité, chaque cavité étant propre à être mise en pression pour faire passer le corps inextensible d’une configuration de repos à au moins une configuration mise en pression, dans chaque configuration mise en pression, le corps inextensible présentant une métrique macroscopique distincte de sa métrique macroscopique en configuration de repos, chaque cavité étant formée d’au moins deux canaux sensiblement rectilignes, chaque canal étant relié fluidiquement à au moins l’un des autres canaux, les deux dits canaux formant un angle de changement de cap, chaque cavité comprenant au moins un angle de changement de cap non nul, notamment au moins trois angles de changements de cap non nuis.
La structure selon l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : la valeur de l’angle de changement de cap de chaque canal varie le long d’une cavité ; chaque canal présente une largeur, définie latéralement dans ladite section et dans la configuration de repos, inférieure au tiers de la longueur dudit canal, notamment inférieur à la moitié de la longueur dudit canal ;
- au moins une cavité comprend un canal se séparant en au moins deux canaux ;
- au moins une cavité est propre à recevoir une surpression par rapport à la pression atmosphérique, le corps inextensible étant dans la configuration de repos en l’absence de surpression, le corps inextensible étant dans la configuration mise en pression lorsque la pression interne de chaque cavité est supérieure à une pression dite de déploiement égale au module d’Young multiplié par le rapport au cube de l’épaisseur du corps inextensible sur la largeur minimale des canaux ; dans la configuration de repos, le corps inextensible présente une forme plate, notamment une forme de disque ou de rectangle plat, la structure pneumatique étant pliable dans ladite configuration de repos ; dans la configuration mise en pression, le corps inextensible définit une enveloppe externe présentant une forme tridimensionnelle, la structure pneumatique présentant un module de flexion dans la configuration mise en pression supérieur à 100 fois le module de flexion de la structure pneumatique dans la configuration de repos ;
- la structure pneumatique présente une symétrie par rapport à un axe central ou par rapport à un plan de symétrie dans la configuration de repos ;
- le corps inextensible présente une périphérie dans la configuration de repos, chaque cavité s’étendant à la périphérie, selon une direction sensiblement tangente à la périphérie ou selon une direction sensiblement orthogonale à la périphérie ;
- le corps inextensible définit au moins une ouverture, le ratio entre la surface de l’ouverture et la surface du corps inextensible étant inférieur à 70 % ;
- le corps inextensible comprend au moins deux couches plates de contours semblables soudées entre elles ;
- le corps inextensible comprend au moins trois couches superposées, le corps inextensible définissant au moins un premier réseau de cavités entre deux couches successives et au moins un deuxième réseau de cavités entre deux autres couches successives, le premier réseau et le deuxième réseau étant avantageusement propres à être mis en pression indépendamment l’un de l’autre, et
- la structure pneumatique forme : un équipement biomédical, un composant de meuble, un équipement de loisir, notamment une tente ou une piscine, un équipement de vaisselle, notamment une assiette, ou un équipement industriel de forme adaptable, notamment un coffrage pour une structure en béton.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une structure telle que définie plus haut, comprenant au moins les étapes suivantes : fourniture d’au moins deux couches plates de formes semblables, disposition des couches l’une sur l’autre, et soudage des couches entre elles selon un motif prédéfini afin de former les cavités. Le procédé de fabrication selon l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : l’étape de soudage selon le motif prédéfini est réalisée par un fer à souder, avantageusement contrôlé par un ordinateur ; le procédé comprend une étape de disposition d’un papier anti-adhésif entre chaque couche avant l’étape de soudage, le papier anti-adhésif définissant le motif prédéfini, l’étape de soudage des couches étant réalisée par une presse chauffante plate, et l’étape de soudage est réalisée par une presse chauffante présentant la forme du motif.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
[Fig 1] - la figure 1 est une vue d’une première structure pneumatique selon l’invention, dans une configuration de repos ;
[Fig 2] - la figure 2 est en perspective de la première structure de la figure 1 , dans une configuration mise en pression ;
[Fig 3] - la figure 3 est une vue en perspective et en coupe d’une partie de la première structure de la figure 1 dans la configuration de repos à gauche et dans la configuration mise en pression à droite ;
[Fig 4] la figure 4 est une vue de dessus explicative de l’angle de changement de cap, dans la configuration de repos à gauche et dans la configuration mise en pression à droite ;
[Fig 5] - la figure 5 est une vue, d’en haut et d’en bas d’une deuxième structure pneumatique selon l’invention, dans une configuration de repos ;
[Fig 6] - la figure 6 est une vue en perspective de la deuxième structure de la figure 5, dans une configuration mise en pression ;
[Fig 7] - la figure 7 est une vue d’une troisième structure pneumatique selon l’invention, dans une configuration de repos ;
[Fig 8] - la figure 8 est une vue analogue à la figure 7, dans une configuration mise en pression ;
[Fig 9] - la figure 9 est une vue d’une quatrième structure pneumatique selon l’invention, dans une configuration de repos ;
[Fig 10] - la figure 10 est une vue en perspective de la quatrième structure de la figure 9, dans une configuration mise en pression ; [Fig 11] - la figure 11 est une vue d’une cinquième structure pneumatique selon l’invention, dans une configuration de repos ;
[Fig 12] - la figure 12 est une vue en perspective de la cinquième structure de la figure 11 , dans une configuration mise en pression et dans une configuration intermédiaire ;
[Fig 13] - la figure 13 est une représentation en perspective d’une mise en œuvre d’un premier procédé de fabrication selon l’invention de la structure de la figure 1 ; et
[Fig 14] - la figure 14 est une représentation en perspective d’une mise en œuvre d’un deuxième procédé de fabrication selon l’invention de la structure de la figure 1.
Une première structure pneumatique 10 selon l’invention est illustrée schématiquement sur les figures 1 à 4.
La structure 10 comporte un corps inextensible 12 définissant intérieurement une pluralité de cavités internes 14, propres à être mises en pression pour faire passer le corps inextensible 12 d’une configuration de repos, représentée sur la figure 1, à une configuration mise en pression, représentée sur la figure 2.
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 inextensible 12 est configuré, par la structure des cavités internes 14 qu’il contient, pour se déformer de manière réversible entre sa configuration de repos, avantageusement plane, et au moins une configuration mise en pression, dans laquelle il adopte une forme tridimensionnelle, la métrique macroscopique du corps inextensible 12 dans la configuration mise en pression étant différente de la métrique macroscopique du corps inextensible 12 dans la configuration de repos.
Par « métrique macroscopique du corps inextensible », on entend l’ensemble des distances séparant deux points différents de la surface médiane définie au sein du corps inextensible 12 entre sa surface supérieure et sa surface inférieure.
Ainsi, au moins certaines distances entre des points différents de la surface médiane ont varié lors du passage de la configuration de repos à la configuration mise en pression.
Dans chaque configuration mise en pression, le corps inextensible 12 présente une courbure de Gauss différente de sa courbure de Gauss en configuration de repos. En particulier, en référence aux figures 1 et 2, en au moins un point de la surface médiane, la courbure de Gauss est nulle dans la configuration de repos et est non nulle, par exemple positive ou négative, dans la configuration mise en pression.
Par « courbure de Gauss » ou « courbure gaussienne », on entend le produit des courbures principales en un point donné d’une surface. À titre d’exemple, la courbure de Gauss d’une feuille plane ou enroulée en cône ou cylindre est nulle. Elle est positive pour une sphère et négative pour une selle.
On entend par « corps inextensible », le fait que le corps n’est pas propre à être allongé par extension lorsque la pression appliquée sur ce corps est inférieure, notamment 10 fois inférieure, avantageusement 100 fois inférieure, à une pression dite d’inextensibilité égale au module d’Young du corps multiplié par le rapport entre l’épaisseur du corps inextensible 12 et la largeur (w-e) maximale des cavités 14, définie latéralement dans une section transversale de la cavité 14, dans la configuration de repos.
Le module d’Young est mesuré à 23°C selon la norme NFT 46-002.
A titre d’exemple, le module d’Young du matériau du corps inextensible 12 est égal à environ 1 GPa, l’épaisseur du corps inextensible 12 est égale à environ 100 pm et la largeur maximale est environ égale à 5 cm. La pression d’inextensibilité est alors égale à 20 bars.
Le corps inextensible 12 est par exemple composé de nylon. En variante, le corps inextensible 12 est composé de tissus en nylon imprégnés dans du thermoplastique uréthane, polyéthylène, polypropylène ou polypropylène téréphtalate. En variante encore, le corps inextensible 12 est composé de tissus d’origine végétale tels que du coton ou du lin par exemple.
Dans l’exemple de la figure 1, le corps inextensible 12 comprend deux couches 16 plates de formes semblables, ici de forme ronde, soudées entre elles.
Les cavités 14 sont ainsi définies entre les deux couches 16 superposées.
En particulier, le corps inextensible 12 définit au moins trois cavités 14, notamment au moins dix cavités 14.
En référence à la figure 3, chaque cavité 14 est délimitée, dans au moins une section transversale de la cavité 14, latéralement par deux soudures 18 en regard.
La largeur edes soudures 18 est typiquement comprise entre 0,1 mm et 100 mm.
Entre deux soudures 18, chaque cavité 14 est délimitée au-dessus par une région supérieure formée par l’une des couches 16 et en dessous par une région inférieure formée par l’autre couche 16.
Chaque cavité 14 présente dans cette section un contour fermé. Le contour présente une forme aplatie dans la configuration de repos, comme visible à gauche de la figure 3, et une forme ovale, ici ronde, dans la configuration mise en pression, comme visible à droite de la figure 3.
En particulier, dans la configuration de repos, comme visible sur la gauche de la figure 3, les deux couches 16 sont sensiblement parallèles entre elles.
Dans la configuration de repos, plus de 50%, notamment plus de 80%, de la surface des régions supérieures et inférieures des couches 16 sont en contact l’une avec l’autre.
Ainsi, dans la configuration de repos, l’épaisseur du corps inextensible 12 prise en regard d’une cavité 14 est inférieure ou égale à 200 % de la somme des épaisseurs des couches 16 en regard, avantageusement inférieure à 105 % de la somme des épaisseurs des couches 16 en regard.
La largeur (w-e) de la cavité 14 est typiquement comprise entre 1 mm et 2000 mm.
Dans la configuration mise en pression, l’épaisseur du corps inextensible 12 prise en regard d’une cavité 14 est sensiblement égale à 2(w-b)/tt.
Les cavités 14 d’au moins un réseau de cavités 14 sont reliées entre elles. Dans cet exemple, toutes les cavités 14 sont reliées entre elles au niveau du centre de la structure 10.
En outre, chaque réseau de cavités 14 reliées entre elles est raccordé à un port 13 respectif pour permettre leur mise en pression sélective.
Le corps inextensible 12 présente une périphérie 17 dans la configuration de repos, ici de forme globalement ronde.
Les cavités 14 s’étendent radialement depuis un axe central A-A’ du corps inextensible 12 vers la périphérie 17.
La structure 10 présente ici une symétrie par rapport à l’axe central A-A’.
Ainsi chaque cavité 14 présente un motif semblable, la structure 10 étant formée de la reproduction par rotation autour de l’axe central A-A’ de symétrie de ce motif.
Chaque cavité 14 s’étend selon une direction sensiblement orthogonale à la périphérie 17. Ainsi, au niveau de la périphérie 17, la tangente à la périphérie 17 est orthogonale à la direction d’extension de la cavité 14.
Chaque cavité 14 est scellée le long de la périphérie 17, afin d’assurer l'étanchéité du réseau de cavités 14, notamment par une couture ou une soudure en forme de feston.
Comme visible sur les figures 1 à 4, chaque cavité 14 est formée d’au moins deux canaux 19 sensiblement rectilignes s’étendant bout à bout. Chaque canal 19 présente une largeur (w-e), définie latéralement dans une section transversale dans la configuration de repos, inférieure au tiers de la longueur L dudit canal 19, notamment inférieur à la moitié de la longueur L du canal 19.
Chaque canal 19 est relié fluidiquement à au moins l’un des autres canaux 19 de la cavité 14, les deux dits canaux 19 formant un angle de changement de cap c,c’, au niveau de leur extrémité commune.
En particulier, comme visible sur la figure 4, chaque canal 19 s’étend selon une direction propre, deux canaux 19 consécutifs formant alors l’angle de changement de cap X.X’·
Par la suite, l’angle de changement de cap est associé au symbole c dans la configuration de repos et au symbole c’ dans la configuration mise en pression.
Comme visible sur les figures 1 et 2, chaque cavité 14 comprend au moins un angle de changement de cap c,c’ non nul, notamment au moins trois angles de changements de cap c,c’ non nuis.
Autrement dit, chaque cavité 14 présente une forme de ligne brisée ou encore autrement dit de zigzag.
Chaque angle de changement de cap c,c’ est avantageusement compris entre 20° et 160°.
En particulier, la valeur de l’angle de changement de cap c,c’ de chaque canal 19 varie le long d’une cavité 14.
Ici, l’angle de changement de cap c,c’ le long d’une cavité de la périphérie 17 vers le centre de la structure 10 est une fonction croissante. Ainsi, autrement dit le zigzag devient de plus en plus resserré en direction du centre de la structure 10.
Au moins une cavité 14 comprend un canal 19 se séparant en au moins deux canaux 19.
Dans l’exemple des figures 1 et 2, en partant du centre vers la périphérie 17, chaque canal 19 se sépare en deux canaux 19 qui se séparent chacun à nouveau en deux canaux 19.
Le passage du corps inextensible 12 de la configuration de repos, représentée sur la figure 1 , à la configuration mise sous pression, représentée sur la figure 2, va maintenant être décrit plus en détail.
Dans la configuration de repos, le corps inextensible 12 présente une première métrique macroscopique.
En particulier, le corps inextensible 12 présente une forme plate, ici une forme de disque plat. Aucune surpression n’est appliquée aux cavités 14 et, comme visible sur la gauche de la figure 3, le contour de chaque cavité 14 présente une forme aplatie.
L’écart entre deux soudures 18 est alors égal à la largeur (w-e), comme représenté à gauche de la figure 3, et chaque canal 19 présente un angle de variation de cap x avec les canaux 19 adjacents, comme représenté à la gauche de la figure 4.
Dans la configuration de repos, la structure 10 est pliable, notamment pliable à la main par un être humain.
La structure 10 présente une rigidité en flexion par unité de largeur égale au module d’Young du matériau du corps inextensible 12 multiplié par le cube de l’épaisseur du corps inextensible du 12. La structure 10 est dite pliable, si cette rigidité en flexion est inférieure à 1 N.m.
À titre d’exemple, la rigidité de pliage est inférieure à 103 N.m lorsque le corps inextensible 12 présente une épaisseur environ égale à 100 pm et un module d’Young environ égal à 1 GPa.
Dans la configuration mise en pression, le corps inextensible 12 présente une deuxième métrique macroscopique distincte de la première métrique macroscopique.
En particulier, le corps inextensible 12 définit une enveloppe externe présentant une forme tridimensionnelle, ici une forme de coque.
Chaque cavité 14 est propre à recevoir une surpression par rapport à la pression atmosphérique.
En particulier, le corps inextensible 12 passe dans la configuration mise en pression lorsque la pression interne de chaque cavité 14 est supérieure à une pression dite de déploiement égale au module d’Young multiplié par le rapport au cube de l’épaisseur du corps inextensible sur la largeur minimale des canaux.
Lorsque la surpression est appliquée aux cavités 14, le contour de chaque cavité 14 présente une forme ovale, ici ronde, comme visible sur la droite de la figure 3.
Du fait du passage du contour d’une forme aplatie à une forme ronde, l’écart entre deux soudures 18 est alors égal à w multiplié par un facteur de contraction l, comme représenté à droite de la figure 3.
Le facteur de contraction l est ég 3al àA = - TC ( Vl - — w) ) + — w .
Ainsi, plus le rapport entre l’épaisseur e de la soudure 18 et la largeur (w-e) au repos du canal 14 est petit, plus l’écart entre deux soudures 18 se rétrécit au passage à la configuration mise en pression.
Du fait de ce rétrécissement, chaque canal 19 présente alors un angle de variation de cap c’ avec les canaux 19 adjacents inférieur à l’angle de variation de cap c au repos, comme représenté à la droite de la figure 4. En particulier, la variation de l’angle de variation de cap c, c’ est donnée par la formule : tan(j/2) = ltan(x,/2).
Ainsi, plus le facteur de contraction l est important, plus l’angle de variation de cap X, x’ augmente au passage à la configuration mise en pression.
La pressurisation produit une rigidification de la structure 10.
Le corps inextensible 12 dans la configuration mise en pression est alors autoportant, c’est-à-dire qu’il est capable de se maintenir par lui-même dans sa métrique modifiée, à l’encontre de son propre poids, sans qu’il soit nécessaire de fournir une armature extérieure de support.
Dans la configuration mise en pression, la structure pneumatique 10 présente un module de flexion au minimum 100 fois supérieur au module de flexion de la structure pneumatique 10 dans la configuration de repos.
En variante, une deuxième structure pneumatique 110 selon l’invention est illustrée schématiquement sur les figures 5 et 6.
La deuxième structure 110 diffère de la première structure 10 en ce que le corps inextensible 12 comprend quatre couches 16 superposées.
Le corps inextensible 12 définit un premier réseau de cavités 14 entre les deux premières couches 16 successives et un deuxième réseau de cavités 14 entre les deux dernières couches 16 successives.
Comme visible sur la figure 5, le motif de chaque réseau de cavités 14 est semblable à celui de la première structure 10.
Le premier réseau de cavités 14 diffère en ce qu’une ouverture 20 est ménagée sur les deux premières couches 16, au centre du corps inextensible 12.
Le ratio entre la surface de l’ouverture 20 et la surface du corps extensible 12 est inférieur à 70 %, notamment inférieur à 50 %, avantageusement inférieur à 25%.
Dans la configuration au repos, représentée sur la figure 5, les quatre couches 16 sont superposées l’une sur l’autre et la deuxième structure 110 est pliable.
Dans la configuration mise en pression, représentée sur la figure 6, le corps inextensible 12 adopte alors une forme de sphère aplatie, ou autrement dit de lentille.
La sphère aplatie est composée d’une coque semblable à celle de la structure 10 formée par le deuxième réseau de cavités 14 et d’un dôme tronqué formé par le premier réseau de cavités 14.
Dans une variante avantageuse, chaque réseau de cavité est propre à être mis en pression indépendamment des autres réseaux. Il est ainsi possible d’obtenir plusieurs configurations mises en pression. Dans la première configuration mise en pression, la structure 110 présente une forme de coque semblable à celle représentée sur la figure 2.
Dans la deuxième configuration mise en pression, la structure 110 présente une forme de dôme tronqué.
En variante, une troisième structure pneumatique 210 selon l’invention est illustrée schématiquement sur les figures 7 et 8.
La troisième structure 210 diffère de la première structure 10 en ce que le corps inextensible 12 présente une forme rectangulaire plate dans la configuration de repos, s’étendant selon une direction principale B-B’.
Les cavités 14 s’étendent parallèlement entre elles perpendiculairement à la direction principale B-B’.
Le corps inextensible 12 présente ainsi une symétrie par rapport à un plan P, orthogonal à la direction principale B-B’ et par rapport à un plan Q comprenant la direction principale B-B’ et orthogonal au plan de la structure 210 dans la configuration de repos.
La périphérie 17 présente ici une forme rectangulaire.
Chaque cavité 14 s’étend selon une direction sensiblement orthogonale à la périphérie 17.
Les deux cavités 14 disposées aux extrémités du corps inextensible 12 s’étendant en outre selon une direction sensiblement tangente à la périphérie 17.
Comme illustré sur la figure 8, l’application d’une pression dans les cavités 14 engendre une déformation par torsion du corps inextensible 12.
La troisième structure 210 présente alors une forme d’hélice dans la configuration mise en pression.
En variante, une quatrième structure pneumatique 310 selon l’invention est illustrée schématiquement sur les figures 9 et 10.
La quatrième structure 310 diffère de la troisième structure 210 en ce que le motif du réseau de cavités 14 présente deux foyers 22 depuis lesquels s’étendent radialement des cavités 14, les extrémités longitudinales du corps inextensible 12.
Les foyers 22 sont reliés par des cavités 14 s’étendant longitudinalement.
Dans la configuration mise en pression, la contraction des cavités 14 fait passer la quatrième structure 310 dans une forme tridimensionnelle.
Cette forme tridimensionnelle présente deux positions. Dans la première position, représentée sur la figure 10, la forme tridimensionnelle présente une forme ondulée avec un point d’inflexion situé entre les deux foyers 22.
Dans la deuxième position, non représentée, la forme tridimensionnelle présente une forme d’arc sans point d’inflexion. La structure 310 est propre à passer d’une position à l’autre par l’exercice d’une force sur l’une des extrémités du corps inextensible 12 afin d’entrainer une rotation de cette extrémité par rapport au foyer 22 adjacent, comme représenté par les flèches sur la figure 10.
En variante, une cinquième structure pneumatique 410 selon l’invention est illustrée schématiquement sur les figures 11 et 12.
La cinquième structure 410 diffère de la première structure 10 en ce que le corps inextensible 12 présente une forme d’un secteur de disque s’étendant sur une étendue angulaire comprise entre 0° et 360°, définie entre deux bords 24 s’étendant depuis le centre du corps inextensible 12.
Le corps inextensible 12 est configuré pour passer de la configuration au repos, représentée sur la figure 11 , à la configuration mise en pression, représentée en trait plein sur la figure 12, en passant par une configuration intermédiaire, représentée en pointillés sur la figure 12.
La configuration intermédiaire est obtenue à partir de la configuration de repos par le rapprochement et la fixation des deux bords 24.
Les deux bords 24 sont fixés entre eux par des moyens de fixation, tels que des crochets ou un ruban adhésif.
La configuration intermédiaire présente donc une forme tridimensionnelle sans qu’aucune surpression ne soit appliquée dans les cavités 14.
Ici, le corps inextensible 12 présente une forme de cône de révolution, comme représenté en pointillés sur la figure 12.
Le passage de la configuration intermédiaire à la configuration mise en pression est obtenu par la mise en pression des cavités 14, provoquant ainsi la contraction des cavités 14.
Le corps inextensible 12 présente alors une forme de cône concave, ou autrement dit de pavillon, comme représenté en trait plein sur la figure 12.
En variante non représentée, une sixième structure diffère de la première structure 10 en ce que le corps inextensible 12 présente deux configurations mises en pression.
En particulier, le corps inextensible 12 définit deux réseaux de cavités 14 séparés entre les deux couches 16 comprenant chacun un port 13 respectif pour chaque réseau.
Chaque réseau de cavités 14 présente un motif respectif différent.
Ainsi, le corps inextensible 12 est propre à passer de la configuration de repos à une première configuration mise en pression par mise en pression du premier réseau de cavités 14, aucune surpression n’étant appliquée dans le deuxième réseau. La sixième structure présente alors une première forme tridimensionnelle, par exemple une forme de coque comme représentée sur la figure 2.
Le corps inextensible 12 est en outre propre à passer de la configuration de repos à une deuxième configuration mise en pression par mise en pression du deuxième réseau de cavités 14, aucune surpression n’étant appliquée dans le premier réseau. La sixième structure présente alors une deuxième forme tridimensionnelle, différente de la première forme, par exemple une forme de cône.
Dans une application de la structure 10, 110, 210, 310, 410 les formes et les dimensions du corps inextensible 12 dans la configuration de repos et dans chacune des configurations mise en pression sont choisies par exemple pour que la structure 10, 110, 210, 310, 410 forme un équipement biomédical, notamment une endoprothèse déployable, ou un actionneur de manipulation et de déplacement de tissu biologique. Dans ce cas, le matériau du corps inextensible 12 est biocompatible.
En variante, la structure 10, 110, 210, 310, 410 forme un équipement de sport et de rééducation. Par exemple, la structure 10, 110, 210, 310, 410 forme un dispositif d’assistance de forme réglable pour la musculation ou la rééducation. En variante, la structure 10, 110, 210, 310, 410 forme une structure gonflable déployable pour la haute couture, l’aérospatial ou pour une activité extérieure, telle que des tentes, des bols ou autres accessoires.
Lorsque la structure forme une tente, la structure comprend par exemple une ouverture 20 formant une porte et une ouverture 20 formant une fenêtre.
En particulier, le ratio entre la surface de l’ouverture 20 formant la fenêtre et la surface du corps inextensible 12 est avantageusement inférieur à 25%.
Le ratio entre la surface de l’ouverture 20 formant la porte et la surface du corps inextensible 12 est avantageusement inférieur à 50%.
Le ratio entre la surface de l’ouverture 20 sur le toit et la surface du corps inextensible 12 est avantageusement inférieur à 50%.
Dans encore une variante, la structure 10, 110, 210, 310, 410 forme une partie d’un meuble, par exemple un panneau de meuble continûment déformable ou une charnière activable pneumatiquement.
Dans encore une autre variante, la structure 10, 110, 210, 310, 410 forme un équipement industriel, présentant une forme adaptée suivant l’usage, par exemple un coffrage pour une structure en béton, un appui-tête déformable qui épouse la forme du crâne, ou une pale d’éolienne de forme variable pour optimiser le rendement. En variante encore, la structure 10, 110, 210, 310, 410 forme un emballage antichoc entourant un objet fragile pour le protéger.
Dans encore une variante, la structure 10, 110, 210, 310, 410 forme un isolant thermique ou phonique.
Un premier procédé de fabrication d’une structure 10 selon l’invention va maintenant être décrit, en référence à la figure 13.
Dans une étape initiale, au moins deux couches 16 plates de formes semblables sont fournies. Par exemple, deux couches 16 sous forme de disques sont fournies.
Les couches 16 sont disposées l’une sur l’autre.
Pour fabriquer des structures 10 précitées, présentant une forme souhaitée dans la configuration mise en pression, il est possible de modéliser la forme et la métrique de la structure 10, et la position des cavités 14 nécessaires pour obtenir cette forme et cette métrique souhaitée.
Ensuite, la forme et la métrique correspondante de la structure 10 et des cavités 14 dans la configuration de repos sont calculées pour obtenir la position des soudures 18 à appliquer selon un motif prédéfini.
Ainsi, le procédé de fabrication comprend alors une étape de soudage des couches 16 entre elles selon le motif prédéfini afin de former les cavités 14.
En particulier, l’étape de soudage selon le motif prédéfini est réalisée par un fer à souder 26, comme représenté sur la figure 13.
Le fer à souder 26 est avantageusement contrôlé par un ordinateur 28. L’ordinateur 28 comprend une mémoire dans laquelle est stocké le motif prédéfini. L’ordinateur 28 commande alors le déplacement du fer à souder 26 selon le motif prédéfini.
Alternativement, le fer à souder 26 est manœuvré par un opérateur.
Dans une variante, en référence à la figure 14, un deuxième procédé de fabrication diffère du premier procédé en ce que le procédé comprend une étape de disposition d’un papier anti adhésif 30 entre chaque couche 16 avant l’étape de soudage.
Par anti-adhésif, on entend que le papier présente avec les couches 16 une énergie d’adhésion inférieure à 100 mJ/m2.
Le papier anti-adhésif 30 est par exemple du papier sulfurisé.
Le papier anti-adhésif 30 définit le motif prédéfini. Ainsi, le motif est découpé dans le papier anti-adhésif 30, seule la partie complémentaire du motif de soudure étant conservée. L’étape de soudage des couches 16 est alors réalisée par une presse chauffante plate 32.
Les soudures 18 sont alors réalisées au niveau du motif défini par le papier anti adhésif 30, le papier anti-adhésif 30 empêchant la soudure des couches 16 entre elles en dehors du motif.
Enfin, le procédé comprend une étape de découpage de la frontière 17 afin d’obtenir la structure 10.
Dans une variante, non représentée, un troisième procédé de fabrication diffère du premier procédé en ce qu’une presse chauffante dont la forme coïncide avec le motif des soudures souhaitées.
L’étape de soudage est alors réalisée par la presse chauffante présentant la forme du motif.
On comprend que la présente invention présente un certain nombre d’avantages. En effet, les structures 10, 110, 210, 310, 410, selon l’invention sont facilement déployables et permettent d’atteindre des formes prédéterminées par le motif des réseaux des cavités 14 contenues dans le corps inextensible 12.
Ce déploiement permet de passer simplement et rapidement de la configuration de repos à au moins une configuration mise en pression. Dans la configuration de repos, le corps inextensible 12 est pliable ou roulable et donc facile à ranger et compact.
Dans chaque configuration mise en pression, l’inextensibilité du corps 12, la faible largeur des canaux 19 relativement à leur longueur et la forme en ligne brisée des cavités 14 permet d’obtenir une structure présentant une rigidité importante. En outre, la structure 10, 110, 210, 310, 410 selon l’invention est facile à fabriquer, de manière reproductible et pour un coût de fabrication faible.
L’invention permet donc une utilisation avantageuse de la structure 10, 110, 210, 310, 410 dans de nombreuses applications telles que la biomédecine, les loisirs ou l’industrie.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) comportant un corps inextensible (12) définissant au moins un réseau de cavités internes (14), chaque cavité (14) présentant un contour fermé dans au moins une section de la cavité (14), chaque cavité (14) étant propre à être mise en pression pour faire passer le corps inextensible (12) d’une configuration de repos à au moins une configuration mise en pression, dans chaque configuration mise en pression, le corps inextensible (12) présentant une métrique macroscopique distincte de sa métrique macroscopique en configuration de repos, dans chaque configuration mise en pression, le corps inextensible (12) présentant une courbure de Gauss différente de la courbure de Gauss en configuration de repos, chaque cavité (14) étant formée d’au moins deux canaux (19) sensiblement rectilignes, chaque canal (19) étant relié fluidiquement à au moins l’un des autres canaux (19), les deux dits canaux (19) formant un angle de changement de cap (c, c’), chaque cavité (14) comprenant au moins un angle de changement de cap (X, x’) non nul, notamment au moins trois angles de changements de cap (X, x’) non nuis.
2. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon la revendication 1 , dans laquelle la courbure de Gauss est nulle dans la configuration de repos et est non nulle dans la configuration mise en pression.
3. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la valeur de l’angle de changement de cap (c, c’) de chaque canal (19) varie le long d’une cavité (14).
4. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque canal (19) présente une largeur (w-e), définie latéralement dans ladite section et dans la configuration de repos, inférieure au tiers de la longueur (L) dudit canal (19), notamment inférieur à la moitié de la longueur (L) dudit canal (19).
5. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins une cavité (14) comprend un canal (19) se séparant en au moins deux canaux (19).
6. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins une cavité (14) est propre à recevoir une surpression par rapport à la pression atmosphérique, le corps inextensible (12) étant dans la configuration de repos en l’absence de surpression, le corps inextensible (12) étant dans la configuration mise en pression lorsque la pression interne de chaque cavité (14) est supérieure à une pression dite de déploiement égale au module d’Young multiplié par le rapport au cube de l’épaisseur du corps inextensible (12) sur la largeur (w-e) minimale des canaux (19).
7. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, dans la configuration de repos, le corps inextensible (12) présente une forme plate, notamment une forme de disque ou de rectangle plat, la structure pneumatique (10) étant pliable dans ladite configuration de repos.
8. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, dans la configuration mise en pression, le corps inextensible (12) définit une enveloppe externe présentant une forme tridimensionnelle, la structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) présentant un module de flexion dans la configuration mise en pression supérieur à 100 fois le module de flexion de la structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) dans la configuration de repos.
9. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) présente une symétrie par rapport à un axe central (A-A’) ou par rapport à un plan de symétrie (P, Q) dans la configuration de repos.
10. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps inextensible (12) présente une périphérie (17) dans la configuration de repos, chaque cavité (14) s’étendant à la périphérie, selon une direction sensiblement tangente à la périphérie (17) ou selon une direction sensiblement orthogonale à la périphérie (17).
11. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps inextensible (12) définit au moins une ouverture (20), le ratio entre la surface de l’ouverture (20) et la surface du corps inextensible (12) étant inférieur à 70 %.
12. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps inextensible (12) comprend au moins deux couches (16) plates de contours semblables soudées entre elles.
13. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon la revendication 11 , dans laquelle le corps inextensible (12) comprend au moins trois couches (16) superposées, le corps inextensible (12) définissant au moins un premier réseau de cavités (14) entre deux couches (16) successives et au moins un deuxième réseau de cavités entre deux autres couches (16) successives, le premier réseau et le deuxième réseau étant avantageusement propres à être mis en pression indépendamment l’un de l’autre.
14. Structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, formant :
- un équipement biomédical,
- un composant de meuble,
- un équipement de loisir, notamment une tente ou une piscine,
- un équipement de vaisselle, notamment une assiette, ou
- un équipement industriel de forme adaptable, notamment un coffrage pour une structure en béton.
15. Procédé de fabrication d’une structure pneumatique (10, 110, 210, 310, 410) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins les étapes suivantes :
- fourniture d’au moins deux couches (16) plates de formes semblables, - disposition des couches (16) l’une sur l’autre, et
- soudage des couches (16) entre elles selon un motif prédéfini afin de former les cavités (14).
16. Procédé de fabrication selon la revendication 15, dans lequel l’étape de soudage selon le motif prédéfini est réalisée par un fer à souder (26), avantageusement contrôlé par un ordinateur (28).
17. Procédé de fabrication selon la revendication 15, dans lequel le procédé comprend, en outre, une étape de disposition d’un papier anti-adhésif (30) entre chaque couche (16) avant l’étape de soudage, le papier anti-adhésif
(30) définissant le motif prédéfini, l’étape de soudage des couches (16) étant réalisée par une presse chauffante plate (32). 18. Procédé de fabrication selon la revendication 15, dans lequel l’étape de soudage est réalisée par une presse chauffante présentant la forme complémentaire du motif.
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