FR2765141A1 - Panneau sandwich avec noyau profile - Google Patents

Abstract

Panneau sandwich comportant un noyau profilé (10) et des couches extérieures supérieure (2) et inférieure (3), notamment en nappes de fibres, et dans lequel des traverses de poussée sont prévues, les traverses de poussée (20) ayant une forme doublement recourbée en S. Applications aux structures de grandes surfaces renforcées par des fibres dans les domaines des constructions aéronautique, navale et ferroviaire.

Description

PANNEAU SANDWICH AVEC NOYAU PROFILE

L'invention concerne un panneau sandwich qui comporte un noyau profilé et des couches extérieures supérieure et inférieure, notamment en nappes de fibres, et dans lequel il est prévu des traverses de poussée, et l'invention concerne également un procédé de fabrication du panneau sandwich. L'utilisation de structures composites renforcées par des fibres et de grandes surfaces prend de nos jours de plus en plus d'importance dans les domaines des constructions aéronautique, navale et ferroviaire. En raison de la grande solidité combinée au faible poids de la structure, on utilise souvent des structures sandwichs à noyaux profilés dans les constructions composites renforcées par des fibres. On connaît des constructions comportant des traverses de poussée droites qui forment un angle de 45 environ avec la couche extérieure de la structure sandwich. Vu en coupe, on obtient donc entre les deux couches extérieures, à savoir la couche extérieure supérieure et la couche extérieure inférieure, une ligne en zigzag dont une partie étroite s'étend à chaque fois parallèlement aux deux couches extérieures, alternativement la couche extérieure supérieure et la couche extérieure inférieure, et dont les traverses de poussée disposées selon un angle de 45 environ par rapport aux couches extérieures sont disposées à chaque fois, en alternance,

entre ces deux parties étroites.

Une telle construction offre une bonne rigidité en flexion mais une faible capacité d'absorption d'énergie par exemple lors d'un impact sur la couche extérieure de la structure sandwich. Un impact ou une charge de ce type est tel qu'une force s'exerce brusquement sur la structure

sandwich. Ceci correspond à l'effet d'un "pénétrateur".

L'invention a donc pour objet de proposer un panneau sandwich avec noyau profilé qui présente une structure formée correctement pour résister aux contraintes dues à une charge par impact, la structure sandwich devant avoir une grande capacité d'absorption d'énergie et une grande rigidité à la flexion et devant être obtenue le plus possible, pour des raisons techniques de fabrication, à

partir d'une succession de mêmes aires de section.

Ce problème est résolu par un panneau sandwich qui comporte un noyau profilé et des couches extérieures supérieure et inférieure, notamment en nappes de fibres, et dans lequel il est prévu des traverses de poussée, caractérisé en ce que les traverses de poussée ont une forme doublement recourbée en S. Le problème est aussi résolu par un procédé de fabrication de panneaux sandwichs, dans lequel on enveloppe des noyaux de modules préformés avec des nappes de fibres pour former des modules profilés, on dispose les modules profilés les uns à côtés des autres en les alternant quant à leur orientation et on les assemble en un noyau profilé, on recouvre la face supérieure et la face inférieure des modules profilés disposés les uns à côté des autres avec des couches extérieures, on durcit les nappes de fibres dans la structure composite et on retire des modules profilés les noyaux de modules après la fin de la fabrication du panneau sandwich. On obtient ainsi un panneau sandwich avec noyau profilé, dans lequel il est prévu notamment et de préférence dans la zone médiane de la forme en S des traverses de poussée un angle y d'environ 45 à environ par rapport à la couche extérieure. Le rattachement des traverses de poussée elles-mêmes s'effectue de préférence par un rattachement à 90 sur les couches extérieures. Des charges dues à des impacts perpendiculaires à la couche extérieure peuvent ainsi être très bien introduites dans la structure. L'angle y peut être choisi quelconque, à chaque fois en fonction du résultat souhaité pour la structure. Dans un cas, le panneau sandwich a une plus grande rigidité à la poussée et, dans l'autre cas, il a une plus grande rigidité ou résistance à la flexion. Il s'est avéré particulièrement avantageux de former les différents modules du noyau profilé séparément les uns des autres. En effet, on produit ainsi une séparation mutuelle des nappes ou des tissus des modules profilés malgré l'assemblage des différents modules profilés pour former la structure composite. Même si un module est détruit lors d'un impact, les modules disposés à

côté restent porteurs.

En raison du rattachement préféré à 90 des traverses de poussée sur les couches extérieures, une charge par impact sur la couche extérieure provoque dans la zone de l'introduction de la charge une déformation de flexion supplémentaire dans les traverses de poussée. La rigidité à l'élasticité du noyau profilé du panneau sandwich peut être modifiée et réglée de préférence en choisissant correctement la hauteur du noyau profilé et la disposition des traverses de poussée à l'intérieur du noyau profilé. La rigidité à l'élasticité peut donc être dimensionnée. Une déformation élastique des traverses de poussée provoque ainsi une diminution locale réversible de l'épaisseur du panneau sandwich. Lorsque l'énergie incidente du pénétrateur est faible, un choc est possible sans dommage pour le panneau sandwich en tant que structure. Lorsque l'énergie incidente est plus grande, l'impact du pénétrateur sur la couche extérieure est fortement atténué par la grande capacité d'absorption d'énergie de la structure de panneau sandwich. Le pénétrateur traverse donc avec une plus faible puissance résiduelle le panneau

sandwich dans cette zone.

Dans la zone du rattachement des traverses de poussée aux couches extérieures, un espace creux peut rester entre les différents modules du noyau profilé après l'assemblage en une structure composite. La proportion en volume de fibres de l'espace creux peut de préférence être la plus faible possible, elle peut notamment tendre vers zéro. Dans une variante, il peut s'avérer très avantageux, dans certains cas d'application, de remplir les espaces creux, qui restent dans la zone de pli des nappes de fibres du module profilé, de fibres individuelles, notamment de fibres sèches. On peut par exemple avantageusement utiliser des fibres unidirectionnelles pour pouvoir supporter des forces dans le sens de la longueur des fibres. Les espaces creux restant pour des raisons techniques de fabrication peuvent ainsi avantageusement servir de volumes utiles et les couches extérieures peuvent être fabriquées plus minces. Pour fabriquer le panneau sandwich, c'est-à-dire pour former à l'intérieur du panneau sandwich des modules profilés qui constituent le noyau profilé du panneau

sandwich, il est prévu de préférence des noyaux de modules.

Ceux-ci ont de préférence la forme des modules profilés à produire ensuite. Ils sont fabriqués en particulier et de préférence en un matériau qui ne se lie pas, lors de la fabrication des modules profilés, aux nappes de fibres qui sont posées autour des noyaux de modules. Ils sont notamment en silicone ou ils sont formés comme des sacs profilés en feuilles ou des profilés tubulaires pouvant être remplis d'un fluide sous pression. Après le durcissement des modules profilés terminés, c'est-à-dire du panneau sandwich, les noyaux de modules sont de préférence retirés des modules. Les nappes de fibres qui sont posées autour des noyaux de modules ont de préférence des couches de nappes qui sont rigides à la poussée, à la traction, à la pression et/ou qui amortissent les bruits et il s'agit de couches de nappes avec une orientation de 45 , de 0 , de 90 et/ou de 30 du tissage. Il s'avère alors très avantageux de pouvoir disposer les uns à côté des autres des modules profilés ayant des orientations de couches de nappes différentes et donc des propriétés différentes. On peut ainsi, à l'intérieur de la structure monolithique du panneau sandwich, satisfaire à différentes exigences en des

endroits quelconques.

Comme matériau pour les nappes de fibres, on utilise de préférence une matière plastique renforcée par des fibres de carbone (CFK) ou une matière plastique renforcée

par des fibres de verre (GFK).

Outre la forme de réalisation préférée avec le matériau composite renforcé par des fibres, le panneau sandwich selon l'invention convient aussi quant à sa forme à une forme de réalisation avec de l'aluminium, notamment des profilés en coulée continue d'aluminium. On peut aussi

envisager des matériaux composites.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention

ressortiront plus clairement à la lecture de la description

ci-après, faite en référence aux figures annexées, qui montrent: Figure 1: une vue en perspective d'un panneau sandwich selon l'invention, Figure 2: une vue de côté du panneau sandwich selon la figure 1 et Figure 3: une vue du détail X indiqué à la figure 2. La figure 1 montre une vue en perspective d'un panneau sandwich 1 selon l'invention. Le panneau sandwich 1 comporte une couche extérieure supérieure 2 et une couche extérieure inférieure 3. Un noyau profilé est disposé entre ces deux couches extérieures 2, 3. Le noyau profilé 10

comporte des modules profilés 11 individuels.

Les modules profilés 11 sont construits à partir de traverses de poussée 20 doublement recourbées en forme de S. De plus, ils comportent chacun une partie de module supérieure 12 parallèle à la couche extérieure et une partie de module inférieure 13 parallèle à la couche extérieure. Les modules profilés individuels 11 du noyau profilé 10 sont disposés les uns à côté des autres, contigus avec une orientation à chaque fois alternée, entre les deux couches extérieures 2, 3. Les modules sont séparés les uns des autres dans la mesure o chacun est formé indépendamment. Il ne peut donc pas se produire de transmission de forces longitudinales entre les modules individuels. Cette particularité s'avère avantageuse lorsqu'un module est détruit. Les modules disposés à côté

sont alors encore efficaces malgré tout.

Dans la zone des modules profilés 11 contigus et de la couche extérieure respective adjacente aux parties de modules parallèles aux couches extérieures, il reste le plus souvent un espace creux en raison de la technique de fabrication. L'espace creux 30 est aussi rempli de résine synthétique lors de l'imprégnation de la structure sandwich, mais cette résine synthétique ne convient pas à la transmission des forces à cause de sa fragilité car elle se brise facilement. Dans une variante, la proportion en volume de fibres contenue dans l'espace creux 30 est très petite et tend à être nulle. Dans une autre variante, des fibres sèches peuvent être placées dans l'espace creux et il s'agit notamment de fibres unidirectionnelles qui conviennent particulièrement bien à la transmission de

forces dans le sens de la longueur.

A la figure 1, le cas d'une charge par impact, c'est-

à-dire une charge due à un coup provoqué par un pénétrateur, est indiqué par la flèche 4 qui donne le sens de l'énergie incidente du pénétrateur. Dans le cas dessiné, l'introduction de force dans le sens de la flèche produirait une déformation de flexion d'abord dans la couche extérieure supérieure 2, puis dans la partie de module 12 qui se trouve en dessous et qui est parallèle à la couche extérieure et, par transmission de force, dans les traverses de poussée 20 doublement recourbées en forme de S. Dans le cas d'une telle charge, la hauteur du noyau profilé 10 et donc du panneau sandwich 1 est localement diminuée car les traverses de poussée 20 se déforment élastiquement. Lorsque l'énergie incidente est faible, la déformation élastique des traverses de poussée 20 est annulée dès que la charge ne s'exerce plus. Lorsque l'énergie incidente est grande, les traverses de poussée 20 sont certes d'abord déformées élastiquement, une atténuation du choc du pénétrateur ayant donc lieu. Le panneau sandwich absorbe donc de l'énergie. Mais lorsque l'énergie incidente est plus grande, ni la couche extérieure supérieure 2 ni la partie de module 12 qui se trouve en dessous et qui est parallèle à la couche extérieure ne peuvent résister au pénétrateur incident pour des raisons techniques de résistance des matériaux. Elles sont donc traversées. Suivant la hauteur de l'énergie incidente, la partie de module inférieure 13 parallèle à la couche extérieure et la couche extérieure inférieure 3 sont

aussi traversées.

Cet endommagement du panneau sandwich 1 ne se produit toutefois que dans la petite zone qui a été traversée par le pénétrateur. La zone non abîmée qui se trouve autour de cette zone endommagée conserve donc les propriétés avantageuses de la structure selon l'invention du panneau

sandwich 1.

La figure 2 montre une vue de côté du panneau sandwich 1 selon la figure 1. Un noyau de module 15 est inséré dans le module profilé 11 du milieu. Un tel noyau de module 15 est utilisé pour la fabrication des modules profilés. Le noyau de module 15 a donc la forme extérieure que le module

profilé 11 devra avoir plus tard.

La fabrication du module profilé 11 s'effectue de la manière suivante: on entoure le noyau de module ayant la forme adéquate par exemple avec des nappes de fibres en matière plastique renforcée par des fibres de carbone, en matière plastique renforcée par des fibres de verre ou en fibres d'aramide. Les nappes de fibres en plusieurs couches ou les tissus en une seule couche sont prévus sous forme de fibres sèches. Une imprégnation avec de la résine pour lier les modules profilés 11 individuels entre eux et avec les couches extérieures 2, 3 s'effectue après l'assemblage complet en une structure composite. Une variante consiste à utiliser des préimprégnés qui sont prévus sous forme de nappes de fibres imprégnées de résine et qui sont ensuite durcis, alors qu'ils entourent le noyau de module, dans des dispositifs appropriés pour former de nouveau et de préférence une structure composite complète. On dispose d'abord les modules profilés ll individuels les uns à côté des autres, alternés quant à leur orientation, pour former le noyau profilé. On les recouvre ensuite avec les deux couches extérieures, à savoir la couche extérieure supérieure et la couche extérieure inférieure.15 Après la fin de la fabrication et après le durcissement du panneau sandwich avec le noyau profilé et les couches extérieures, on peut retirer les noyaux de modules hors des modules profilés. C'est pourquoi les noyaux de modules sont fabriqués de préférence en un20 matériau qui ne se lie pas aux nappes de fibres lors de la fabrication des modules profilés. Ils sont donc fabriqués par exemple en silicone ou sous forme de sacs profilés en feuilles ou de profilés tubulaires extensibles qui sont

alors gonflés de préférence au moyen d'un gaz.

Après le démoulage, c'est-à-dire après le retrait des noyaux de modules hors du panneau sandwich, ces noyaux de modules peuvent être à nouveau utilisés pour la prochaine fabrication d'un panneau sandwich. Suivant les dimensions du panneau sandwich, il peut être intéressant de laisser30 les profilés tubulaires à l'intérieur des modules profilés après le durcissement de ces derniers, car leur retrait les détruit en raison de leur mince enveloppe extérieure et ils

ne peuvent donc pas être réutilisés de toute façon.

Comme on le voit à la figure 2, les traverses de poussée 20 doublement recourbées en forme de S ont une partie médiane droite 21 qui est disposée selon un angle a par rapport aux parties de module 12, 13 parallèles aux couches extérieures, c'est-à-dire par rapport aux couches

extérieures 2, 3. L'angle a vaut de préférence 45 environ.

L'angle x = 45 est justement tout à fait adapté pour S supporter des forces de poussée. A la place d'un angle a = 45 , on peut aussi prévoir, de manière spécifique à chaque application, un angle a = 0 ou un angle a compris entre 0 et 45 . L'angle a peut même prendre des valeurs

inférieures à 0 , par exemple une valeur a = -45 .

L'élasticité du panneau augmente alors mais sa rigidité

globale diminue.

Comme les deux modules profilés contigus ont des traverses de poussée disposées parallèlement l'une à l'autre, il ne peut se produire aucun gauchissement ou frottement mutuel des deux parties droites 21 contiguës. De plus, les traverses de poussée contiguës sont liées par de

la résine ou par un autre matériau approprié.

La forme doublement recourbée en S des traverses de poussée 20 est plus visible dans la vue du détail X de la figure 2 représenté à la figure 3. Les parties de modules 13 parallèles à la couche extérieure sont repliées vers le

haut selon un angle D à partir de la couche extérieure 3.

L'angle 1 est de préférence un angle de 90 environ. Cette solution permet de supporter de manière optimale la force exercée par une charge d'impact perpendiculaire aux couches extérieures. Cette partie de rattachement 22 à 90 des traverses de poussée 20 a une dimension relativement petite, cette zone mesurant par exemple 1,5 mm pour une épaisseur de nappe de fibres de la traverse de poussée de 1,5 mm également. Mais elle peut aussi être bien plus longue, en particulier si

l'angle a (selon la figure 2) ne vaut pas 45 .

La partie de rattachement 22 à 90 est repliée en un angle y pour se continuer dans la partie droite 21 de la traverse de poussée 20. Cet angle y vaut de préférence 45 environ. Comme on l'a déjà mentionné plus haut, c'est l'angle optimal pour supporter des forces de poussée. La composante de forces de poussée apparaissant à cause de la charge par impact sur la structure sandwich est alors transmise de manière optimale à l'intérieur de la structure. Comme l'angle y correspond à l'angle a dans le cas d'un rattachement à 90 de la partie 22 des traverses de poussée 20, ce qui a été dit pour l'angle x est aussi valable pour l'angle y, y pouvant prendre des valeurs entre 0 et 90 et au-delà de 90 , par exemple une valeur de

1350.

La partie droite 21 est repliée ensuite pour se continuer dans une autre partie à 90 22 selon un angle y, ici de 45 environ. La partie à 90 22 est de nouveau repliée selon un angle À, à savoir un angle de 90 , pour se continuer dans la partie de module supérieure 12 parallèle

à la couche extérieure.

La transmission des forces à l'intérieur du module profilé s'effectue ainsi de manière optimale. Grâce à la structure en couches des nappes de fibres des modules profilés, cette construction géométrique optimale des traverses de poussée est encore améliorée. On prévoit donc de préférence des couches à 45 et aussi des couches à 0 et à 90 , de préférence aussi des couches à 30 . Les couches avec une orientation à 45 sont rigides à la poussée; des couches de nappes rigides à la traction et à la pression ont une orientation respective de 0 et 90 ; les couches avec une orientation de 30 peuvent par exemple atténuer mécaniquement des ondes sonores et représentent donc une possibilité pour l'amortissement acoustique. Les couches individuelles des nappes ont avantageusement des orientations différentes. On prévoit

par exemple dans le noyau une orientation de 30 , par-

dessus une orientation de 45 et à l'extérieur une orientation de 0 ou 900. La composition peut encore varier de module à module, ce qui fait que l'on a alors des

orientations différentes les unes à côté des autres.

il Un tel panneau sandwich peut avoir par exemple une hauteur totale de 50 mm, les deux couches extérieures ayant ensemble une épaisseur de 3 mm seulement. La hauteur intérieure des modules profilés vaut alors par exemple 44 mm. La largeur d'un module global peut être choisie de 72 mm, la largeur de partie de module plus étroite, parallèle à la couche extérieure et dessinée en haut à la figure 2, valant 40 mm. Calculée à partir du milieu d'un module profilé, la distance du point d'intersection d'une ligne imaginaire, qui reproduirait l'allure des parties droites 21, avec la ligne de séparation entre la couche extérieure superposée et de la partie de module parallèle à la couche extérieure, serait de 12,5 mm. Cette ligne est dessinée à la figure 2 pour indiquer l'angle a. Le point d'intersection est noté S. Si des fibres unidirectionnelles sont prévues dans les espaces creux 30, l'épaisseur des couches extérieures peut être encore réduite pour atteindre

par exemple une valeur de 0,2 mm par couche.

Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées

sans sortir de l'esprit ni du domaine de l'invention.

Liste des références 1 panneau sandwich 2 couche extérieure supérieure 3 couche extérieure inférieure 4 flèche (sens de l'énergie incidente) noyau profilé 11 module profilé 12 partie de module supérieure parallèle à la couche extérieure 13 partie de module inférieure parallèle à la couche extérieure noyau de module traverse de poussée 21 partie droite 22 partie de rattachement à 90 espace creux X détail S point d'intersection a angle angle y angle

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Panneau sandwich qui comporte un noyau profilé et des couches extérieures supérieure et inférieure, notamment en nappes de fibres, et dans lequel il est prévu des traverses de poussée, caractérisé en ce que les traverses de poussée (20) ont une forme doublement recourbée en S.

2. Panneau sandwich selon la revendication 1, caractérisé en ce que les traverses de poussée (20) sont formées, dans la zone des couches extérieures (2, 3), de manière à arriver

perpendiculairement à celles-ci.

3. Panneau sandwich selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des modules profilés (11) individuels, formés séparément, du noyau profilé (10) sont disposés contigus

les uns à côté des autres.

4. Panneau sandwich selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que, dans la zone du rattachement des traverses de poussée (20) aux couches extérieures (2, 3), il reste entre les modules contigus et les couches extérieures des espaces creux (30) qui sont remplis de fibres, notamment de fibres unidirectionnelles.

5. Panneau sandwich selon l'une des revendications 1

à 3, caractérisé en ce que la proportion en volume de fibres des espaces creux (30) est la plus petite possible et tend notamment à être nulle.

6. Panneau sandwich selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que la rigidité à l'élasticité du noyau profilé (10) du panneau sandwich (1) peut être modifiée et réglée en choisissant correctement la hauteur du noyau profilé et les angles (a, A, y) de la forme doublement recourbée en S des traverses de poussée (20) à l'intérieur du noyau profilé (10).

7. Panneau sandwich selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que il est prévu des noyaux de modules (15) qui ont la forme à produire des modules profilés (11) et qui sont

utilisés lors de la fabrication du panneau sandwich (1).

8. Panneau sandwich selon la revendication 7, caractérisé en ce que les noyaux de modules (15) sont en un matériau qui ne

se lie pas aux nappes de fibres des modules profilés (11).

9. Panneau sandwich selon la revendication 8, caractérisé en ce que les noyaux de modules (15) sont en silicone ou sont formés comme des profils tubulaires ou des sacs en feuilles

pouvant être remplis d'un fluide sous pression.

10. Panneau sandwich selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que les nappes de fibres des modules profilés (11) comportent des couches de nappes qui sont rigides à la poussée, à la traction et à la pression et/ou qui amortissent les bruits, des modules profilés (11) spécifiques aux applications et ayant différentes couches

de nappes pouvant être prévus les uns à côté des autres.

11. Panneau sandwich selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que les angles (c, A, y) de la forme doublement recourbée en S des traverses de poussée (20) ont un angle D du rattachement des traverses de poussée (20) aux couches extérieures (2, 3) de 90 environ et une partie médiane (21) des traverses de poussée (20) est disposée avec un

angle y par rapport aux deux rattachements.

12. Panneau sandwich selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'angle y peut être choisi de manière spécifique pour chaque application et prend notamment une valeur comprise

entre 45 environ et 135 environ.

13. Procédé de fabrication d'un panneau sandwich

selon l'une des revendications 1 à 12,

caractérisé en ce que on enveloppe des noyaux de modules (15) préformés avec des nappes de fibres pour former des modules profilés (11), on dispose les modules profilés (11) les uns à côtés des autres en les alternant quant à leur orientation et on les assemble en un noyau profilé (10), on recouvre la face supérieure et la face inférieure des modules profilés (11) disposés les uns à côté des autres avec des couches extérieures (2, 3), on durcit les nappes de fibres dans la structure composite, et en ce que on retire des modules profilés (11) les noyaux de modules (15) après la fin de la fabrication du panneau

sandwich (1).

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que on enveloppe les noyaux de modules (15) avec des nappes de fibres sèches ou avec des tissus de fibres secs

ou avec des préimprégnés.

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que, après l'enveloppement avec les nappes ou les tissus secs et après l'assemblage des modules profilés (11) et des couches extérieures (2, 3), on effectue une imprégnation de

l'ensemble de la structure composite avec de la résine.