FR3100000A1 - Préforme et procédé de fabrication de matériaux solides à structure cellulaire - Google Patents

Abstract

Préforme apte à être utilisée comme noyau, destructible ou non, pour la fabrication d’un matériau solide à structure cellulaire. Cette préforme est composée de plusieurs plaques empilées, chaque plaque étant une couche de volumes élémentaires juxtaposés, ces volumes élémentaires étant des paralléloèdres dont les arêtes sont chanfreinées par un congé, les dimensions dudit congé pouvant différer d’une plaque à l’autre afin de permettre une variation de la porosité de ladite préforme. L’invention concerne également un procédé de fabrication utilisant une telle préforme.

Description

Préforme et procédé de fabrication de matériaux solides à structure cellulaire.

La présente invention concerne une préforme apte à être utilisée comme noyau, destructible ou non, pour la fabrication d’un matériau solide à structure cellulaire.

L’invention concerne également un procédé de fabrication utilisant une telle préforme.

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Typiquement, la préforme selon l’invention peut être utilisée comme noyau pour la fabrication par voie de fonderie d’un matériau métallique à structure cellulaire.

Nonobstant, la préforme selon l’invention peut aussi être utilisée comme noyau pour le moulage d’autres matériaux (bétons, polymères, élastomères, etc.), dès lors que lesdits matériaux sont susceptibles d’être fournis à l’état fluide avant de se solidifier lors de l’opération de moulage.

Enfin, une fois modélisée au format numérique, la préforme selon l’invention peut être utilisée pour faciliter la réalisation de structures cellulaires par fabrication additive.

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Les matériaux solides à structure cellulaire offrent des caractéristiques qui les rendent, en théorie, très intéressants pour de nombreuses applications : ratio résistance mécanique/masse (allégement de pièces structurelles, économie de matière première…), ratio surface d’échange/volume occupé (dissipation d’énergie thermique, réactions chimiques tels que des catalyses…), capacité de déformation plastique (dissipation d’énergie cinétique, dissipation vibratoire…), etc.

Dans la pratique toutefois, leur mise en forme n’est pas toujours chose aisée : quel que soit le matériau à mettre en œuvre, la réalisation d’une structure cellulaire présente certaines difficultés et/ou aboutissent à un résultat imparfait.

Par exemple, pour ce qui est des bétons, les deux approches qui existent sur le marché (l’intégration de billes de polystyrène dans le mélange pour ce qui est du «béton allégé» ou le moussage chimique d’un matériau spécifique pour ce qui est du «béton cellulaire») aboutissent à des matériaux intéressants en termes de masse et d’isolation thermique mais aux caractéristiques mécaniques très loin d’égaler celles du béton conventionnel.

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Un autre exemple illustre ces difficultés de mise en œuvre : celui des mousses métalliques.

Bien que des recherches pour les obtenir (soit par insufflation de gaz, soit par incorporation d’agents moussants) aient eu lieu entre 1920 et 1930, les premiers brevets opérationnels datent des années 50, leur exploitation industrielle n’a commencé que 20 ans plus tard et, sur le plan commercial, ces mousses n’ont réellement trouvé leur marché que dans les années 90.

Aujourd’hui encore, ces mousses ont conservé leurs défauts limitants :

• celles obtenues par incorporation d’agents moussants voient les caractéristiques mécaniques et d’usinabilité du matériau initial (le plus souvent un alliage d’aluminium) nettement dégradées.
• et, surtout, qu’elles soient obtenues par incorporation d’agents moussants ou par insufflation de gaz, ces mousses sont dites «stochastiques», c’est-à-dire que, non seulement les alvéoles qu’elles contiennent sont de différentes tailles mais, de plus, leur répartition est aléatoire.

Par conséquent, il est impossible modéliser de façon fiable et précise le comportement mécanique des pièces réalisées.

Tout comme il est impossible de garantir que ce comportement sera parfaitement identique d’un exemplaire à l’autre desdites pièces.

De ce fait, cette première génération de mousses voit son usage limité à des applications dites «non critiques» (elle est notamment exclue des applications sécuritaires, là où, paradoxalement, les matériaux à structure cellulaire s’avéreraient particulièrement utiles).

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Résoudre ce problème et passer d’une mousse stochastique à une mousse régulière (c’est-à-dire dont tous les pores sont de même taille et répartis de façon périodique) a longtemps semblé impossible…jusqu’en 2008, année où le C entre T echnique des I ndustries de la F onderiea déposé le brevet FR 2932705 dont la finalité est précisément de produire une «mousse métallique régulière».

Si des tentatives d’obtention de mousses métalliques par voie de fonderie avaient jusque-là donné des résultats décevants, le procédé mis au point par leCTIFa totalement atteint son objectif : l’obtention d’une structure cellulaire parfaitement homogène et isotrope, dont toutes les alvéoles sont strictement identiques et ordonnées de façon périodique, quel que soit l’angle duquel on observe ladite structure.

Pour ce faire, une préforme utilisée comme noyau destructible a été développée à partir de paralléloèdres assemblés par plaques (elles-mêmes empilables).

Plus qu’une simple amélioration des précédents systèmes, ce procédé constitue ce que l’on peut considérer comme une deuxième génération de mousses métalliques.

Là où la première génération ne répondait qu’à la problématique de masse (ces mousses peuvent effectivement toutes être considérées comme «très légères»), cette deuxième génération ajoute les paramètres de régularité (la mousse offre les mêmes caractéristiques en tous points d’un même bloc) et de reproductibilité (deux blocs produits consécutivement présentent les mêmes caractéristiques).

Le paramétrage de la densité de la mousse (par «densité» ou «densité relative», on entend ici le ratio entre taux de matière et taux de vide) constitue l’autre point qui différencie ces deux générations :

• En première génération, ce paramétrage est approximatif (on réalise une mousse dont la densité se situe «aux alentours de» X% de matière pleine) et concerne une densité moyenne (à certains endroits du bloc ce sera un peu plus et à d’autres un peu moins, cette répartition étant aléatoire).
• En deuxième génération, ce paramétrage peut être très précis (en théorie, on pourrait déterminer le ratio vide/matière pleine d’une mousse à 1% près) et s’avère parfaitement homogène d’un bout à l’autre du bloc.

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L’auteur du présent brevet a déposé une demande de brevet (demande Fr 1701156) pour un procédé destiné à générer une troisième génération de structures cellulaires (mousses métalliques ou non métalliques, ledit procédé étant applicable à tout matériau apte à être moulé).

Outre un cumul des performances de la première génération (réduction de masse) et de la deuxième (régularité et reproductibilité), cette troisième génération vise essentiellement à introduire une nouvelle performance: la modulation maîtrisée de la densitéau sein d’un même bloc de matière, d’une même «pièce» (objet fonctionnel monolithique).

Rappelons que par «densité», il faut ici entendre «densité relative», qui est définie par le ratio« vide/matière pleine».

Le propos de cette troisième génération de structures cellulaires est donc de faire varier, par zones prédéterminées, le taux de matière pleine au sein d’une même pièce en fonction des besoins, tout en conservant l’agencement périodique des alvéoles.

Par exemple, les couches intermédiaires d’une poutre de béton étant nettement moins sollicitées mécaniquement que ses couches extérieures, la résistance mécanique (donc la quantité de matière) nécessaire y est moindre.

Dans un autre domaine, une «crash-box» d’automobile doit, à la fois, dissiper une quantité maximale d’énergie cinétique et le faire de façon progressive, or une mousse métallique à densité modulable (faible densité relative à l’avant de la crash-box, forte densité à l’arrière et, entre les deux, variation progressive de ladite densité) permettrait d’atteindre simultanément ces deux objectifs.

Réaliser de telles pièces avec une structure cellulaire dont on peut faire varier la densité relative de façon contrôlée permettrait donc d’optimiser leur ratiomasse/résistance mécaniqueet/ou leurs performances fonctionnelles.

Au-delà du seul intérêt mécanique, une telle possibilité trouverait aussi des applications dans d’autres domaines :

- échanges thermiques et/ou chimiques (les structures cellulaires présentent un excellent ratio «surface d’échange/volume occuppé», y adjoindre une modulation de densité augmenterait les fonctionnalités des échangeurs ainsi réalisés),

- absorption de vibrations (par nature, les structures cellulaires dissipent l’énergie des vibrations mais la plage de fréquences concernée dépend de la densité de la structure cellulaire, pouvoir faire varier cette densité au sein d’une même pièce permettrait donc de couvrir un plus grand spectre de fréquences),

- isolation acoustique (lorsqu’elles sont dites «à cellules ouvertes», les structures cellulaires atténuent les ondes sonores, notamment via le principe deHelmholtz; là aussi, moduler la densité permettrait d’élargir le spectre des fréquences concernées),

- et cætera (les applications potentielles tels que les échanges électroniques, les variations esthétiques et autres types de possibilités sont nombreuses).

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La demande de brevet FR 1701156, précédemment déposée par l’auteur du présent brevet, porte sur un procédé à base de volumes élémentaires préférentiellement sphériques.

Lesdits volumes sphériques présentent l’avantage de laisser entre eux des interstices dépourvus d’angles saillants et/ou rentrants, donc de générer une mousse dispersant les contraintes de façon idéale.

Toutefois, dans certains cas de figure (que ce soit pour des raisons fonctionnelles, esthétiques et/ou de fabrication), on pourrait préférer utiliser des paralléloèdres, tels que ceux du brevetFR 2932705duCTIF.

Malheureusement, en l’état, ledit brevet duCTIFne se prête pas à une variation du ratiovide/matière pleineau sein d’une même pièce :

• Tout d’abord sur le principe, parce que cet objectif est à l’opposé de la finalité originelle dudit brevetFR 2932705qui était d’obtenir une mousse uniforme, totalement homogène et régulière (cette finalité est exposée dans le texte dudit brevet, détaillée dans le mémoire de doctorat qui est à son origine, répétée dans toutes les publications du CTIF sur ce sujet depuis plus de dix ans et mise en avant dans toutes les applications, effectives ou envisagées, dudit brevet).
• Ensuite sur le plan pratique, parce que si l’on décidait, malgré tout, de «forcer» le système en associant des plaques de porosité différentes, la conception originelle du procédé limiterait fortement l’amplitude des porosités possibles et, surtout, générerait des problèmes de fragilités locales au sein de la mousse (défauts de la pièce finie) ainsi que de rhéologie (jusqu’à l’impossibilité de fabrication).

Cettelimite, cettedéfectuositéet cettecarence de faisabilitésont expliqués ci-après.

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Le brevet FR 2932705 du CTIF est basé sur l’utilisation, en guise de volumes élémentaires, de paralléloèdres.

Les paralléloèdres sont des polyèdres convexes dont la spécificité est de «paver» entièrement l’espace (c’est-à-dire qu’ils peuvent s’imbriquer parfaitement les uns dans les autres sans laisser d’espaces vides ni s’interpénétrer) par duplication et translation.

Si ledit brevet s’applique à n’importe quel paralléloèdre (cube, prisme, dodécaèdres, etc.), les applications pratiques qui en ont été faites sont principalement basées sur l’octaèdre tronqué (30), aussi appelé tétrakaïdécaèdre (voir ).

Leur assemblage ne laissant entre eux aucun espace vide, ledit brevet prévoit d’entailler les arrêtes de ces paralléloèdres avec des congés (voir et [Fig. 3]), lesdits congés pouvant être convexes (10) ou concaves (20) ou plats.

Lorsque les paralléloèdres sont assemblés, lesdits congés génèrent des interstices (40) au sein desquels le métal à mettre en forme s’introduit lors de la coulée.

Ce sont donc les dimensions desdits congés qui déterminent la porosité du noyau de moulage (porosité qui, à son tour, induit le taux de matière pleine de la mousse métallique qui en sera issue).

Ceci étant, lorsque le métal fondu pénètre le noyau, il se refroidit plus vite sur le pourtour des interstices qu’en leur cœur et, en se figeant, il réduit le diamètre desdits interstices.

Pour éviter que ce phénomène n’empêche la matière de poursuivre son cheminement jusqu’au bout du noyau, il convient d’optimiser le ratio entre, d’une part, le volume de l’interstice et, d’autre part, la surface de contactparalléloèdre/métal en fusion.

A cet égard, la forme d’interstice idéale serait celle d’un cylindre.

Pour ce faire, chaque interstice étant issu de la rencontre de trois paralléloèdres, donc de trois congés identiques, la section du congé devrait alors constituer un «tiers de disque» (secteur de disque de 120° d’ouverture).

Dans la pratique, si la section retenue pour les congés couvre un secteur de disque quelque peu inférieur à 120°, elle ne s’en éloigne guère, ainsi l’interstice généré adopte une section à mi-chemin entre le disque et le triangle, une sorte de « triangle aux cotés bombés », à la fois proche de l’idéal rhéologique, mécaniquement efficient et facile à réaliser (voir la ainsi que la photographie d’un échantillon de mousse qui figure dans le brevet FR 2932705).

Pour obtenir une porosité plus importante, il suffit d’augmenter le rayon dudit congé (en partant du même centre) et, subséquemment, la section de l’interstice croît de façon homothétique (voir et [Fig. 5’]).

Le seul point qui limite cet accroissement de porosité est le suivant : pour que les facettes des paralléloèdres continuent d’exister en tant que telles (ce qui est nécessaire pour obtenir une mousse à cellules ouvertes), il ne faut pas que les congés d’un même paralléloèdre se rejoignent.

Cette limite n’en est pas vraiment une dans le cadre du brevetCTIF(elle n’y est d’ailleurs même pas évoquée), puisque son but est d’obtenir des mousses de faible densité (dans la pratique, les mousses réalisées à partir de ce procédé vont d’environ 5 % de matière pleine pour les plus aérées à environ 15% pour les plus denses), ce qui ne nécessite absolument pas d’agrandir les congés d’un même paralléloèdre jusqu’à ce que lesdits congés se rejoignent.

A contrario, pour qui viserait à optimiser le rapportmasse/résistancedes pièces par l’assemblage de porosités très différentes au sein d’un même noyau (comme dans le brevet FR 1701156), cette limite s’avèrerait rédhibitoire.

En effet, cette limite empêche de générer des porosités très élevées (par exemple 30 %) alors que le principe même de la modulation de densité au sein du même bloc de mousse ne présente d’intérêt que s’il est possible d’associer des taux de densité sensiblement différents.

Voilà pour ce qui est de lalimiteimposée par ce procédé.

De même, ladéfectuositéd’un assemblage de porosités qui serait réalisé en essayant de détourner le procédé duCTIFest, elle aussi, issue de la forme des congés : dans une vision mono-densité telle que celle du brevetCTIF, ils s’assemblent parfaitement pour constituer un interstice quasi-cylindrique (une forme mécaniquement performante).

Par contre, si on « forçait » le système pour constituer un noyau à partir de plaques de paralléloèdres de différentes porosités, on obtiendrait, à l’accostage desdites plaques, des interstices pourvus d’angles rentrants (voir et[Fig. 6’]).

Les brins de métal moulés dans lesdits interstices (voir ) concentreraient donc les contraintes au niveau desdits angles rentrants, générant tout un plan fragile au sein de la mousse.

Bien sûr, ce défaut structurel est d’autant plus marqué que le différentiel de porosité entre les plaques est important.

Enfin, lacarence de faisabilitéévoquée se situe, elle aussi, au niveau de chaque jonction que l’on tenterait entre deux plaques de porosités différentes et trouve son origine dans la géométrie de l’interstice.

En effet, à cet endroit, ledit interstice serait fort différent de la forme cylindrique (forme idéale d’un point de vue rhéologique) : d’une part parce que le ratiovolume/surface de contactserait très détérioré par la complexité de la forme et, d’autre part, parce que le jeu des angles sortants et des angles rentrants créerait des parties étroites.

En conséquence de quoi, lors de la coulée, le front de refroidissement (50) du métal croîtrait de façon irrégulière (car trop rapidement au niveau desdites parties étroites), jusqu’à empêcher ledit métal de poursuivre son cheminement au sein du noyau (voir ,[Fig. 8’], [Fig. 9] et [Fig. 9’]).

Au mieux, les brins de métal comporteraient dans cette zone de graves défauts géométriques.

Au pire, il ne serait même pas possible de réaliser la mousse.-

Tout en utilisant des paralléloèdres en guise de volumes élémentaires, la présente invention vise donc à rendre possible (c’est la nécessaire notion defaisabilité) le concept d’une structure cellulaire dont le ratiovide/matière pleinevarie au sein d’un même bloc en fonction des besoins (et non en fonction deslimitesdu procédé) avec un niveau de qualité satisfaisant (c’est-à-dire sansdéfectuositémécanique).

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Le procédé de fabrication de la présente invention s’appuie sur une préforme apte à être utilisée comme noyau pour le moulage de ladite structure cellulaire.

Tout comme dans le brevetFR 2932705duCTIF, ladite préforme est composée de plusieurs plaques empilées, chaque plaque étant une couche de volumes élémentaires identiques juxtaposés, chaque volume élémentaire ayant la forme générale d’un paralléloèdre dont les arêtes sont chanfreinées (entaillées) par un congé, ces volumes élémentaires étant imbriqués lorsque les plaques sont empilées de sorte qu’ils définissent entre eux des espaces vides uniquement au niveau des interstices dégagés par lesdits congés, ledit matériau s’infiltrant dans ladite préforme uniquement au niveau desdits interstices lorsqu’il est à l’état fluide.

Outre safinalité, qui consiste à faire varier le ratiovide/matière pleineau sein d’un même bloc de mousse alors que le brevet duCTIFvise, au contraire, à obtenir une mousse parfaitement homogène et isotrope, la présente invention se distingue dudit brevet CTIF susnommé par :

• la coexistence de plaques de différents taux de porosités au sein d’un même noyau,
• la possibilité de créer des plaques «hybrides» comportant plusieurs taux de porosités différents,
• une décorrélation entre la profondeur et la largeur des congés.

Ces spécificités sont liées au fait que l’identité des volumes élémentaires entre eux n’est, dans la présente invention, que partielle.

Dans le brevetFR 2932705susnommé, cette identité est parfaite et absolue (à l’exception marginale de quelques volumes élémentaires précisément décrits dans ledit brevet comme étant déformés afin de faire office de détrompeurs lors de l’assemblage des plaques) : tous les volumes élémentaires d’un même noyau sont strictement identiques (voir lignes 2, 3, 14 et 15 en page 4, les lignes 1 et 2 en page 6 ainsi que les lignes 8, 9 et 10 de la revendication 1 en page 14 dudit brevet).

A contrario, si les volumes élémentaires de la présente invention sont tous créés à partir du même paralléloèdre de base, ils peuvent toutefois différer les uns des autres par les dimensions de leurs congés respectifs.

En effet, dans la présente invention comme dans le brevet du CTIF :

• la largeur L (distance entre les arêtes qui bordent le congé) des congés est commune à tous les paralléloèdres de toutes les plaques d’un même noyau,
• la profondeur P (distance entre l’emplacement initial de l’arête chanfreinée et le fond du congé ,voir [Fig. 10]) desdits congés est commune à tous les paralléloèdres d’une même plaque.

Mais, contrairement au brevet du CTIF :

• ladite profondeur desdits congés diffère selon les diverses plaques d’un même noyau, indépendamment de leur largeur ( voir [Fig. 10], [Fig. 11] et[Fig. 12] ).

Ainsi, la porosité d‘une plaque donnée est ici déterminée par la profondeur de congés des parallèloèdres qui composent ladite plaque,indépendammentdes autres dimensions (taille du paralléloèdre de base et largeur desdits congés) caractérisant lesdits paralléloèdres.

C’est cette décorrélation entre la profondeur et la largeur des congés qui rend réalisable une variation de la densité relative de la structure cellulaire.

En effet, en procédant de la sorte, des plaques de porosités différentes restent parfaitement compatibles entre elles :

• la taille des paralléloèdres de base étant identique, les plaques continuent de s’emboîter les unes dans les autres,
• la largeur des congés étant commune à tous les paralléloèdres, lesdits congés continuent de s’ajuster parfaitement les uns aux autres pour former des interstices dépourvus de décrochements,
• la profondeur des congés variant indépendamment des autres paramètres (taille des paralléloèdres et largeur des congés), les variations de porosité n’ont aucune influence sur lesdits autres paramètres.

Grâce à ce paramétrage de porosité, le noyau de la présente invention peut comporter des plaques de porosités différentes tout en ne présentant que des interstices dont la section est dénuée d’angles rentrants et de zones étroites.

Précisément, le noyau selon la présente invention est constitué d’au moins deux plaques de porosités différentes.

Par conséquent, après l’opération de moulage, le matériau solide à structure cellulaire moulé au sein dudit noyau comportera au moins deux zones de densités différentes.

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Cette différence entre le brevet pris en exemple et la présente invention ne se borne pas à permettre des variations de densité «couche par couche».

En effet, à l’instar du brevetFR 2932705, chaque plaque de la présente invention peut être découpée selon un contour extérieur et/ou intérieur qui lui sont propres.

Mais, à la différence dudit brevetCTIF, dans la présente invention plusieurs plaques de porosités différentes dont les contours sont complémentaires peuvent être assemblées dans le même plan, de façon à constituer une plaque dite «hybride».

Par «hybride», il faut entendre une plaque dont le taux de porosité diffère d’une zone à l’autre dans le plan de ladite plaque, par opposition à une quelconque plaque dite «standard» ou «d’origine» (c’est-à-dire non modifiée) qui ne présente qu’un seul et même taux de porosité.

En outre, dans la présente invention, il est possible d’assembler, les unes au-dessus des autres, des plaques standard ayant chacune une porosité propre et/ou des plaques hybrides : on obtient ainsi un noyau poreux dont le taux de porosité diffère d’une zone à l’autre dudit noyau dans un espace tridimensionnel.

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Secondairement, outre la décorrélation entre profondeur et largeur expliquée ci-avant, les congés de la présente invention se distingue de ceux du brevetFR 2932705par leur géométrie.

En effet, le brevet duCTIFsusmentionné décrit ses congés comme étant «des chanfreins ou congés concaves ou convexes» sans plus de précisions.

Le mémoire de doctorat à l’origine dudit brevetCTIFest plus explicite et préconise (pour les raisons rhéologiques exposées plus haut) un congé concave dont la section est en forme de secteur de disque.

Enfin, les exploitations industrielles dudit brevet du CTIF montrent que le congé retenu dans la pratique est bien concave et que sa section forme, effectivement, un secteur de disque approximatif (voir ).

Ceci, quel que soit le taux de porosité du noyau, puisque ledit taux de porosité est déterminé par un changement dimensionnel homothétique dudit congé.

Dans la présente invention aussi les congés pourraient théoriquement être plats ou concaves ou convexes mais sont préférentiellement concaves.

En revanche, la forme précise desdits congés (et, par conséquent, la forme précise de la section des interstices créés par lesdits congés) dépend du taux de porosité choisi, puisque seule la profondeur dudit congé varie, laissant sa largeur inchangée.

De plus, parmi les caractéristiques «optionnelles» (propres à ladite invention mais en l’absence desquelles ladite invention demeure opérationnelle) de la présente invention, il en est une qui peut modifier subtilement la forme de l’interstice.

En effet, lorsque la porosité recherchée est particulièrement élevée (en d’autres termes, lorsque les congés sont particulièrement profonds, voir ) on peut voir apparaître sur la section de l’interstice (voir [Fig. 13]) des angles rentrants (60) susceptibles de générer des concentrations de contraintes (lorsque les dimensions des paralléloèdres atteignent plusieurs centimètres de diamètre) ou des problèmes rhéologiques (lorsque, au contraire, les paralléloèdres sont de faibles dimensions).

Dans de tels cas, chacune des arrêtes bordant chaque congé de chaque paralléloèdre de la préforme selon la présente invention est raccordée audit congé via un chanfrein (70) , ledit chanfrein (ou arrondi convexe) étant colinéaire au chanfrein (ou arrondi convexe) qui borde le congé du paralléloèdre adjacent (voir [Fig. 14] et [Fig. 14’]).

De la sorte, la section de l’interstice créé entre les paralléloèdres selon la présente invention ne présente aucun angle rentrant (voir ) et ce, quelles que soient les porosités respectives desdits paralléloèdres (voir [Fig. 16]).

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Par ailleurs, afin de pouvoir paramétrer automatiquement le tracé des congés en fonction de la porosité recherchée (ce qui évite de fastidieux calculs à chaque nouvelle conception de pièce), il est préférable que ledit tracé adopte la forme d’une courbe évolutive, telle qu’une «courbe de Béziers», auquel cas les points fixes de ladite courbe de Béziers sont:

- le point le plus profond du congé (seule donnée à paramétrer selon la porosité recherchée),

- les points d’accostage entre ledit congé et les arrondis qui bordent ledit congé (données induites),

- les points d’accostage entre lesdits arrondis bordant ledit congé et la face du paralléloèdre chanfreinée par ledit congé (données invariables).

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Enfin, lorsque que l’on observe les brins de matière d’une structure cellulaire issue du procédé du Ctif, on constate, d’une part, que la section desdits brins de matière est constante et, d’autre part, que l’accostage entre plusieurs brins génère des arrêtes (c’est-à-dire des angles rentrants).

Or, même à cette échelle, les contraintes mécaniques sont plus importantes à l’extrémité du brin qu’en sa partie médiane et la concentration desdites contraintes au niveau des angles rentrants crée des amorces de ruptures.

C’est pourquoi, un aménagement géométrique peut être intégré à la présente invention afin d’optimiser le comportement mécanique des brins.

Ledit aménagement comprend les trois points suivants :

• la profondeur P du congé s’accroît progressivement depuis le milieu dudit congé jusqu’aux extrémités dudit congé, en dessinant une courbe C1 ,
• la largeur L du congé s’accroît progressivement depuis le milieu dudit congé jusqu’aux extrémités dudit congé, en dessinant deux courbes symétriques C2 et C2’ ,
• chaque arrête créée par le croisement de plusieurs congés d’un même parallèloèdre est abattue par un arrondi.

Les deux premiers points de cet aménagement géométrique permettent de mieux répartir la matière en favorisant les extrémités des brins, davantage soumis aux contraintes mécaniques que la partie médiane desdits brins de matière.

En remplaçant les angles rentrants au niveau des accostages de congés par des courbes, le troisième point évite la concentration de contraintes à cette zone et facilite la circulation de matière lors de la coulée.

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La description de la présente invention est illustrée par les dessins fournis en annexes :

• la figure 1 (voir [Fig. 1]) est une vue en perspective d’un « octaèdre tronqué ;
• la figure 2 (voir [Fig. 2]) est une vue en perspective d’un volume élémentaire dont les arrêtes ont été abattues par un arrondi convexe ;
• la figure 3 (voir [Fig. 3]) est une vue en perspective d’un volume élémentaire dont les arrêtes ont été abattues par un congé concave ;
• la figure 4 (voir [Fig. 4]) est une vue en coupe d’un assemblage de volumes élémentaires ;
• la figure 5 (voir [Fig. 5]) est une vue en coupe d’un assemblage de volumes élémentaires dans lequel les interstices sont de faibles dimensions ;
• la figure 5’ (voir [Fig. 5’]) en coupe d’un assemblage de volumes élémentaires dans lequel les interstices sont de fortes dimensions ;
• la figure 6 (voir [Fig. 6]) est une vue en coupe d’un hypothétique assemblage de volumes élémentaires dont les congés seraient de dimensions différentes ;
• la figure en coupe d’un hypothétique assemblage de volumes élémentaires dont les congés seraient de dimensions différentes
• la figure 7 (voir [Fig. 7]) est une vue en perspective d’un hypothétique tronçon de brin de matière ;
• la figure 8 (voir [Fig. 8]) est une vue en coupe d’un hypothétique interstice ;
• la figure 8’ (voir [Fig. 8’]) est une vue en coupe d’un hypothétique interstice ;
• la figure 9 (voir [Fig. 9]) est une vue est une vue en coupe d’un hypothétique interstice ;
• la figure 9’ (voir [Fig. 9’]) est une vue en coupe d’un hypothétique interstice ;
• la figure 10 (voir [Fig. 10]) est une vue en coupe d’un congé concave selon l’invention ;
• la figure 11 (voir [Fig. 11]) est une vue en coupe d’un congé concave selon l’invention ;
• la figure 12 (voir [Fig. 12]) est une vue en coupe d’un congé concave selon l’invention ;
• la figure 13 (voir [Fig. 13]) est une vue en coupe d’un interstice ;
• le dessin 14 (voir [Fig. 14]) est une vue de détail d’un accostage de congés selon l’invention ;
• la figure 14’ (voir [Fig. 14’]) est une vue de détail d’un accostage de congés selon l’invention ;
• le dessin 15 (voir [Fig. 15]) est une vue est une vue en coupe d’un interstice issu de congés de mêmes dimensions ;
• le dessin 16 (voir [Fig. 16]) est une vue est une vue en coupe d’un interstice issu de congés de dimensions différentes ;

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En résumé, la présente invention concerne une préforme apte à être utilisée comme noyau perdu (destructible ou laissé en place après moulage) pour le moulage d’un matériau solide à structure cellulaire.

Ladite préforme est composée de plusieurs plaques empilées, chaque plaque étant une couche de paralléloèdres identiques juxtaposés dont les arêtes sont chanfreinées suivant un congé plat ou convexe ou, préférentiellement, concave.

Lesdits paralléloèdres sont imbriqués lorsque les plaques sont empilées de sorte qu’ils définissent entre eux des espaces vides uniquement au niveau des interstices dégagés par lesdits congés.

La préforme selon l’invention est caractérisée, notamment, en ce que :

• la profondeur P dudit congé, commune à tous lesdits paralléloèdres d’une même plaque, est propre à chaque plaque,
• ladite profondeur P dudit congé diffère d’une plaque à l’autre d’un même noyauindépendammentde la largeur L dudit congé, ladite largeur demeurant commune à toutes les plaques dudit noyau,
• ledit noyau est constitué d’au moins deux plaques dont les profondeurs P respectives de congés, donc les taux de porosités respectifs, diffèrent.

Par ailleurs, dans une version de la préforme selon l’invention, chacune des arrêtes bordant chaque congé de chaque paralléloèdre est raccordée audit congé via un chanfrein (ou un arrondi convexe), ledit chanfrein (ou arrondi convexe) étant colinéaire au chanfrein (ou arrondi convexe) qui borde le congé du paralléloèdre adjacent.

Il est à noter que dans la préforme selon l’invention la section de l’interstice défini entre trois paralléloèdres jointifs prend la forme d’un trèfle trilobé.

Ledit trèfle est à la fois dépourvu d’angles, de décrochements et de zones étroites.

Dans une préforme constituée de plaques de volumes élémentaires, chacune desdites plaques de volumes élémentaires est découpée selon un contour extérieur et/ou un contour intérieur qui lui sont propres.

Dans la préforme selon l’invention, plusieurs plaques de porosités respectives différentes, dont les contours respectifs sont complémentaires, s’assemblent dans le même plan de façon à constituer une plaque appelée «plaque hybride» de sorte que le taux de porosité de ladite plaque hybride diffère d’une zone à l’autre dans ledit plan.

De même, dans la préforme selon l’invention il est possible d’assembler, les unes au-dessus des autres, des plaques de porosités respectives différentes de sorte à former un noyau poreux dont le taux de porosité diffère d’une couche (ou strate) à l’autre.

De façon complémentaire, dans la préforme selon l’invention des plaques de porosités respectives différentes et/ou des plaques dites «hybrides» (c’est-à-dire constituées de morceaux de plaques dont les porosités respectives sont différentes) peuvent être assemblées les unes au-dessus des autres.

De telle sorte que le taux de porosité du noyau poreux ainsi constitué diffère d’une zone à l’autre dans un espace tridimensionnel.

Dans une version spécifique de la préforme selon l’invention, les congés adoptent les caractéristiques suivantes :

• la profondeur P du congé s’accroît progressivement depuis le milieu dudit congé jusqu’aux extrémités dudit congé, en dessinant une courbe C1 ,
• la largeur L du congé s’accroît progressivement depuis le milieu dudit congé jusqu’aux extrémités dudit congé, en dessinant deux courbes symétriques C2 et C2’ ,
• chaque angle créé par le croisement de plusieurs congés d’un même parallèloèdre est abattu par un arrondi.

La présente invention concerne aussi le procédé de moulage d’un matériau solide à structure alvéolaire au sein d’un noyau poreux, c’est-à-dire utilisant la préforme selon l’invention.

Ledit procédé de moulage comprend les étapes suivantes :

• on sélectionne des plaques de différents taux de porosités,
• on découpe lesdites plaques poreuses selon les contours de la structure alvéolaire à réaliser,
• on constitue le noyau poreux, en assemblant lesdites plaques poreuses dans le même plan et/ou en les empilant,
• on positionne ledit noyau dans un moule,
• on coule ou on injecte ledit matériau, à l’état fluide, dans ledit moule de sorte que ledit matériau s’infiltre dans les interstices dudit noyau,
• après solidification dudit matériau on ouvre ledit moule et, de façon optionnelle, on détruit toutes ou certaines des plaques constituant ledit noyau,
• on remplit, là aussi de façon optionnelle, les alvéoles vides avec un ou différents autre(s) matériau(x).

D’autre part, la préforme selon l’invention peut être utilisée sous sa forme matérielle ou sous une forme «virtuelle», c’est-à-dire numérisée.

Auquel cas, les paralléloèdres et les plaques de paralléloèdres sont modélisés sous forme de fichiers numériques.

Lesdits fichiers numériques constituent un ensemble appelé « banque » ou « catalogue » de composants virtuels.

Lesdits composants virtuels peuvent ensuite être assemblés les uns aux autres de façon à faciliter la modélisation numérique de pièces à structure alvéolaire en vue de leur réalisation matérielle par fabrication additive.

Par conséquent, la présente invention concerne aussi le procédé de conception et de fabrication d’une pièce solide à structure alvéolaire utilisant la préforme selon l’invention sous sa forme virtuelle, c’est-à-dire numérisée.

Ledit procédé de conception et de fabrication comprend alors les étapes suivantes :

• on sélectionne au sein de la banque de composants virtuels des plaques de différents taux de porosités,
• on constitue la base du noyau poreux virtuel, en assemblant lesdites plaques poreuses virtuelles dans le même plan et/ou en les empilant,
• on modélise la forme extérieure du noyau poreux virtuel sous la forme d’une coque sans épaisseur que l’on utilise pour découper la base dudit noyau,
• on modélise la forme extérieure de la pièce à réaliser sous forme d’une coque sans épaisseur puis on y insère le noyau poreux virtuel,
• le logiciel de CAO modélise la pièce à réaliser par remplissage des interstices contenus dans le noyau poreux et par remplissage de l’interstice compris entre la forme extérieure de la pièce et ledit noyau,
• on supprime le noyau poreux virtuel du fichier numérique de la pièce modélisée,
• on programme le dispositif de fabrication additive à partir de la pièce modélisée en CAO afin que ledit dispositif réalise ladite pièce sous forme matérielle.

Claims (10)

1. Préforme apte à être utilisée comme noyau perdu pour le moulage d’un matériau solide à structure cellulaire, composée de plusieurs plaques empilées, chaque plaque étant une couche de paralléloèdres identiques juxtaposés dont les arêtes sont chanfreinées suivant un congé, ces paralléloèdres étant imbriqués lorsque les plaques sont empilées de sorte qu’ils définissent entre eux des espaces vides uniquement au niveau des interstices dégagés par lesdits congés,caractérisée en ce que:

   • la profondeur P dudit congé, commune à tous lesdits paralléloèdres d’une même plaque, est propre à chaque plaque d’un même noyau,
   • ladite profondeur P dudit congé diffère d’une plaque à l’autre d’un même noyauindépendammentde la largeur L dudit congé, ladite largeur demeurant commune à toutes les plaques dudit noyau,
   • ledit noyau est constitué d’au moins deux plaques dont les profondeurs P respectives de congés, donc les taux de porosités respectifs, diffèrent.
2. Préforme selon la revendication 1 caractérisée en ce que chacune des arrêtes bordant chaque congé de chaque paralléloèdre est raccordée audit congé via un chanfrein, ledit chanfrein étant colinéaire au chanfrein qui borde le congé du paralléloèdre adjacent.
3. Préforme selon la revendication 1 caractérisée en ce que la section de l’interstice défini entre trois paralléloèdres jointifs prend la forme d’un trèfle trilobé dépourvu d’angles, dépourvu de décrochements et dépourvu de zones étroites.
4. Préforme selon la revendication 1 dans laquelle chaque plaque de volumes élémentaires est découpée selon un contour extérieur et/ou un contour intérieur qui lui sont propres, caractérisée en ce que plusieurs plaques de porosités respectives différentes, dont les contours respectifs sont complémentaires, s’assemblent dans le même plan de façon à constituer une plaque, appelée «plaque hybride», dont le taux de porosité diffère d’une zone à l’autre dans ledit plan.
5. Préforme selon la revendication 1, caractérisée en ce que des plaques de porosités respectives différentes sont assemblées les unes au-dessus des autres de façon à former un noyau poreux dont le taux de porosité diffère d’une couche à l’autre.
6. Préforme selon les revendications 1, 4 et 5 caractérisée en ce que des plaques de porosités respectives différentes et/ou des plaques dites «hybrides», c’est-à-dire constituées de morceaux de plaques dont les porosités respectives sont différentes, sont assemblées les unes au-dessus des autres de façon à former un noyau poreux dont le taux de porosité diffère d’une zone à l’autre dans un espace tridimensionnel.
7. Préforme selon la revendication 1 caractérisée en ce que :

   • la profondeur P du congé s’accroît progressivement depuis le milieu dudit congé jusqu’aux extrémités dudit congé, en dessinant une courbe C1 ,
   • la largeur L du congé s’accroît progressivement depuis le milieu dudit congé jusqu’aux extrémités dudit congé, en dessinant deux courbes symétriques C2 et C2’ ,
   • chaque angle créé par le croisement de plusieurs congés d’un même parallèloèdre est abattu par un arrondi.
8. Procédé de moulage d’un matériau solide à structure alvéolaire au sein d’un noyau poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :

   • on sélectionne des plaques de différents taux de porosités,
   • on découpe lesdites plaques poreuses selon les contours de la structure alvéolaire à réaliser,
   • on constitue le noyau poreux, en assemblant lesdites plaques poreuses dans le même plan et/ou en les empilant,
   • on positionne ledit noyau dans un moule,
   • on coule ou on injecte ledit matériau, à l’état fluide, dans ledit moule de sorte que ledit matériau s’infiltre dans les interstices dudit noyau,
   • après solidification dudit matériau on ouvre ledit moule et, de façon optionnelle, on détruit toutes ou certaines des plaques constituant ledit noyau,
   • on remplit, là aussi de façon optionnelle, les alvéoles vides avec un ou différents autre(s) matériau(x).
9. Préforme selon la revendication 1 caractérisée en ce que les paralléloèdres et les plaques de paralléloèdres sont modélisés sous forme numérique afin de constituer une banque de composants virtuels, lesdits composants virtuels pouvant ensuite être assemblés les uns aux autres de façon à faciliter la modélisation numérique de pièces à structure alvéolaire en vue de leur réalisation matérielle par fabrication additive.
10. Procédé de conception et fabrication d’une pièce solide à structure alvéolaire selon les revendications 1 et 9, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :

    • on sélectionne au sein de la banque de composants virtuels des plaques de différents taux de porosités,
    • on constitue la base du noyau poreux virtuel, en assemblant lesdites plaques poreuses virtuelles dans le même plan et/ou en les empilant,
    • on modélise la forme extérieure du noyau poreux virtuel sous la forme d’une coque sans épaisseur que l’on utilise pour découper la base dudit noyau,
    • on modélise la forme extérieure de la pièce à réaliser sous forme d’une coque sans épaisseur puis on y insère le noyau poreux virtuel,
    • le logiciel de CAO modélise la pièce à réaliser par remplissage des interstices contenus dans le noyau poreux et par remplissage de l’interstice compris entre la forme extérieure de la pièce et ledit noyau,
    • on supprime le noyau poreux virtuel du fichier numérique de la pièce modélisée,
    • on programme le dispositif de fabrication additive à partir de la pièce modélisée en CAO afin que ledit dispositif réalise ladite pièce sous forme matérielle.