WO2019086771A1 - Noyau poreux modulaire pour le moulage de pièces à structure alvéolaire - Google Patents

Noyau poreux modulaire pour le moulage de pièces à structure alvéolaire Download PDF

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WO2019086771A1
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core
spheres
plate
porous
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Romuald VIGIER
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Vigier Romuald
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    • C04B38/06—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
    • C04B38/0615—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances the burned-out substance being a monolitic element having approximately the same dimensions as the final article, e.g. a porous polyurethane sheet or a prepreg obtained by bonding together resin particles
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    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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    • C04B2111/00905—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as preforms

Definitions

  • the present invention relates to a modular porous core for molding parts with honeycomb structure.
  • the mass of a long-span beam can cause it to take the arrow, the "unsuspended" masses of a car adversely affect its dynamic behavior, etc.
  • the cost-material can be problematic, especially when the material used is sophisticated (high-performance fiber-reinforced concrete, light metal alloy, technical composite, etc.) and, on the other hand, the industrial materials being often from non-renewable natural resources, it will be more and more necessary to make a frugal use of them.
  • the purpose of certain technical devices such as "mechanical fuses” is to dissipate as gradually as possible the energy of a collision, an earthquake or any other type of shock.
  • they may include several "strata" whose mechanical strengths are differentiated.
  • the present invention aims to deal mainly with these three problems (reduce the mass of structural parts without reducing their mechanical strength, increase their energy dissipation capabilities, optimize them by combining materials of various kinds) by the same process of manufacturing parts with internal honeycomb structure.
  • injection foaming processes or gas production generate materials whose irregular structure (the locations and dimensions of their cavities are random) is difficult to model and not conducive to obtaining
  • Said elementary volumes being identical to each other and arranged between them in regular network.
  • That of 2008 prefers to use parallelehedrons (which have the advantage, and as a main feature, to fully pave the space), even chamfering the edges of said parallelohedra to create the gaps necessary for the passage of the molding material.
  • the present invention has another purpose.
  • the intensity of the mechanical stresses differs from one area to another of said room.
  • the present invention aims to modulate the density of the cellular structure (therefore, its strength and also its mass) as a function of the intensity of the mechanical stresses that must undergo each of the different areas of the part to achieve.
  • the third works a little in compression and not at all in traction
  • the middle portion works neither in compression nor in traction
  • the second portion does not need to be as compressive as the first and the third does not need to be as compressive as the second one, and so on.
  • the principle is the same in the case of a piece intended to dissipate the energy of a shock, only the disposition of the "portions" differs: the zone closest to the point of impact must be the most fragile, then the adjacent zone must be a little less, then the next one less, etc. so that the dissipation of energy is progressive.
  • the compressive strength of a part depends, of course, on the nature of the material chosen but also on the quantity of material used.
  • the process developed also provides an answer to the question of the association of complementary materials.
  • the mechanical assemblies are generally punctual (or, at best, multi-point) and the assemblies by adhesives are linear (or, at best, planar).
  • the present invention aims, secondarily, to allow "three-dimensional" assemblies of materials.
  • the method according to the invention consists in casting the constituent material of the final part on a porous core. , lost or destructible, in order to obtain a honeycomb structural part.
  • said core is here designed to be modular and to differentiate its porosity (and therefore, inversely and proportionally, the density of the resulting honeycomb structure) according to predetermined areas.
  • said core (10) consists of several stacked plates (20), themselves made up of elementary volumes (30) (see FIGS. 1a, 1b and 1c) and, like the certificate of 1986, the elementary volumes are, preferably, spheres (31) juxtaposed in "hexagonal arrangement" (see Figure 2).
  • the elementary volumes of the present invention are feasible from other geometric shapes than the sphere, but this sphere has at least two advantages: it allows a spectrum of very wide density variation, it generates walls "in arches" completely lacking of re-entrant angles, thus of rupture primers.
  • the diameter of the spheres can vary from one plate to another.
  • the spacing between the geometric centers of the spheres is the same for all the plates of the same core, whatever the diameters of their respective spheres.
  • At least three of these spheres of diameter equal to E are required per plate (only one would be a spherical pivot and two would form a linear axis around which the plate could pitch). From an industrial point of view, the simplest is to provide a constant amount for a given plate area. Moreover, without this being absolutely necessary, grouping them in groups of three facilitates the positioning of the plates.
  • a first model, called “thick plate” in which the spherical caps of the upper face and those of the lower face (50) of the plate are each faceted by three disks (60), each disk being defined by the virtual interpenetration plane between each of said caps and the three spheres of the adjacent plate with which said cap is in contact.
  • the stack of plates of this model generates an area in which the interstices (80) are relatively small and, therefore, where the density of the honeycomb structure will be low (see Figure 8);
  • a second model is identical to the first on one of its faces but differs on the other side whose half-spheres (70) have their diameter reduced to the value from E.
  • this plate comes from the fact that it serves to ensure the transition between a thick plate and a plate whose diameter of the spheres is equal to E (or even a plate whose diameter of the spheres is less than E, as described above) without generating structural discontinuity, synonymous with local fragility.
  • the plates of different types and porosities are selected according to the needs, if necessary, said plates are cut according to the contours of the part to be molded, the plates are stacked including, if necessary, any spacers,
  • the constituent material of the part to be produced poured (by simple gravitational casting or under vibration or by injection under pressure or depression) in said mold when it is in the fluid state, is introduced into the interstices of the core,
  • the mold is open,
  • the empty cells are filled with one or more materials with complementary properties.
  • the part can be made by additive manufacturing via a 3D printer.
  • the kernel is virtual: it exists only in numeric form.
  • the core according to the invention is called "modular” because it is constituted, on a case by case basis, by the assembly of different prefabricated industrial plates.
  • the density of the alveolar structure, identical to the porosity rate of the plates, will therefore be defined zone by zone (see FIG. 11).
  • the spheres have a diameter equal to E, then they will occupy 74% of the available space in said area (see the conjecture of
  • Kepler and the interstices will occupy only 26% complementary.
  • the density of the honeycomb structure in this area will be 26%.
  • the interstices will be large and the density of the honeycomb structure will be high (between 26% and 99% depending on the diameter of the spheres).
  • the diameter of the spheres is greater than E, the interstices will be reduced in size and the density of the cellular structure will be low (between 1% and 26% depending on the diameter of the spheres).
  • the constituent material of the molded part will be completely absent (density of 0%).
  • the density of the structure of the parts made according to the reference of 1986 could be 99% for the heaviest (in practice, there is little interest to exceed 60%) against, at best 26% for the lightest.
  • said method determines the density of the part to be made, contrary to the present invention, not by adjusting the size of the spheres but on the spacing between them (which is explained in line 36, page 2, line 12, page 3).
  • the density of the honeycomb structure is adapted to the intensity of the mechanical stresses, zone by zone.
  • it substantially reduces the mass of the molded part while maintaining its overall cohesion and without impairing its mechanical performance.
  • the weight gain authorized by the present invention corresponds, for the suspended parts, to a proportional span increase.
  • each of these skins is followed by a less mechanically stressed layer, for example 5 cm thick for a 40% cellular structure density (120), a final layer, for example with a 20% cellular structure density ( 130) for 15 cm thick, whose only role is to ensure cohesion between the upper face and the lower face of said slab.
  • a less mechanically stressed layer for example 5 cm thick for a 40% cellular structure density (120)
  • a final layer for example with a 20% cellular structure density ( 130) for 15 cm thick, whose only role is to ensure cohesion between the upper face and the lower face of said slab.
  • the material constituting the spheres is destructible and / or a density much lower than that of the constituent material of the molded part.
  • spheres being achievable from a wide range of materials (polystyrene, frozen water, agglomerated sand, foundry wax, elastomers, etc.), it is possible to associate layers (or portions of layers) of different types if it is desired to destroy, after making the molded part, certain layers (or portions of layers) but not others.
  • This possibility can be useful in particular for keeping within the molded part combinations of materials with complementary characteristics: in the case of a dwelling wall for example, a material can provide its soundproofing capacity while another brings its thermal insulation capacity.
  • the core within the molded part (for example a polystyrene core in a final piece of concrete);
  • An elastomer core of relatively high Shore hardness retained in an elastomer molded part of low Shore hardness, would allow to provide progressive transitions between zones of differentiated flexibility (for example to achieve a tire without a tube or a part intended to absorb the vibrations);
  • a transmission part made of an alloy chosen for its high mechanical strength, could be added, replacing a portion of its core, of a cast member in a material with a very low coefficient of friction (provided that both have expansion coefficients close, of course).
  • the plates of the modular core are positioned in a direction different from that which would be used for a beam: the plates are stacked, not parallel to, but perpendicular to, the longitudinal axis of the part. .
  • the order also differs: the zones of densities are determined, not according to the intensity of the mechanical stresses, but according to their chronology.
  • the density of the honeycomb structure will be low at the front of the part (first part solicited by the collision) and then higher and higher, so as to attenuate the violence of the shock in a progressive manner.
  • the process according to the invention is adaptable to the usual applications of cellular materials (heat exchange, vibration damping, etc.), as soon as there is an interest in having zones with differentiated density densities.
  • the value of the spacing E between the spheres will depend greatly on the particle size and the ductility of the constituent material of the molded part: for example of the order of a few mm for a polymer or a metal alloy, it may, always as an example, be of the order of a few cm (or even a few dm) for a concrete.
  • the density of the cellular structure does not depend on the dimension of the cells in the absolute, but on the ratio between this dimension and the spacing E between the centers of said cells. .
  • Figure la shows, in schematic perspective, any nucleus according to the invention.
  • Figure lb shows, in schematic perspective, the plates that make up said core.
  • Figure shows it, in schematic perspective, the elementary volumes that make up said plates.
  • FIG. 2 shows, in top view, the hexagonal arrangement of the spheres constituting any plate of a core according to the invention.
  • FIG. 3 shows, in section, the stack of several plates according to the Kepler conjecture.
  • FIG. 4 shows, in side view, three constituent plates of the same core: one of which the spheres have a diameter less than,, one of which the spheres have a diameter equal to f and one whose spheres have a diameter greater than E.
  • FIG. 5 represents, in front view, a portion of a plate whose spheres have a diameter less than f.
  • FIG. 6 represents, in side view, a plate portion whose spheres have a diameter less than E, with the exception of some of them having a diameter equal to E.
  • Figure 7a shows, in side view, a portion of plates called "transition”.
  • Figure 7b shows, in side view, a portion of plates called "thick".
  • FIG. 8 represents, in front view, a portion of a plate whose spheres have a
  • Figure 9 shows, in side view, a non-porous plate inserted into porous plates.
  • Figure 10 shows, in side view, spacers inserted between plates.
  • FIG. 11 shows, in side view, a molding core according to the invention, consisting of several plates of different porosities stacked.
  • Figure 12 shows, in perspective, the edge of a beam made by the method according to the invention.
  • FIG. 13 shows, in perspective, a building slab made by the method according to the invention.
  • FIG. 14 represents, in longitudinal section, a beam incorporating mechanical fuses produced by the method according to the invention.
  • Figure 15a shows, in section, a vehicle spar for dissipating the energy of a collision.
  • the porous core (10) according to the present invention comprises at least two plates (20) of different porosities.
  • Said easels (20) consist of elementary volumes (30).
  • the cubing of the elementary volumes (30) of any plate (20) can substantially differ from the cubic volume of the elementary volumes (30) of other plates (20) of the same core (10).
  • the diameters of the spheres of two specific models of plates respectively called “thick plates” and “transition plates” are equal to each other and greater than E so that said spheres interpenetrate virtually.
  • Each sphere (34) of each thick plate is faceted by six disks (three on the upper face and three on the lower face), each of these disks (60) being defined by the plane of virtual interpenetration between said sphere 34) and the one of the six spheres (34) of the adjacent thick plates (above and below) with which said sphere (34) is in contact.
  • Each half-sphere of the first face of each transition plate is faceted by three disks (60), each of these disks (60) being defined in the same way as the disks (60) of the thick plates, so that said first face adjusts with any thick plate,
  • each half-sphere (70) of the second face of each transition plate is reduced to the value of E, so that each transition plate fits with any other plate (20) whose diameter spheres (31 or 30) would be less than or equal to E,
  • the edge of the half-sphere of the first face is cut by a convex fillet.
  • the plates (20) of the modular core (10) generally consist of destructible materials after casting and / or densities substantially lower than the density of the constituent material of the molded part.
  • the material constituting a plate (20) may be of a different nature from the materials respectively constituting the other plates (20), so that it is possible, after the casting, to destroy certain parts of said core (10) while retaining others.
  • spacers (100) previously made in the constituent material of the molded part are used to separate the core (10) of the edges of the mold and / or to separate some plates (20) from each other, allowing the whereby said constituent material of said molded part is introduced into the fluid space in the voids thus generated and forms therein sealed partitions around and / or within the honeycomb structure.
  • the porosity of the core (10) according to the invention may be substantially lower in a particular zone than in the other zones of the structure alveolar.
  • the density of the honeycomb structure of each zone is chosen so as to be proportional to the intensity of the mechanical stresses to be experienced by said zone.
  • the method of manufacturing a honeycomb structure, based on the porous core (10) according to the invention comprises the following steps:
  • a core (10) according to the invention is formed by stacking said porous plates (20) and, if necessary, by inserting between some of them spacers 100), said porous core (10) is positioned in a mold, said fluid material is poured or injected into said mold so that said material infiltrates into the interstices (80) of said porous core (10),
  • said mold is opened and, optionally, all or some plates (20) of said core (10) are destroyed,
  • the empty cells are filled with one or more other material (s).
  • porous core (10) according to the invention can be digital and virtual in order to allow the production of a part by additive manufacturing, by depositing successive layers of the constituent material of said part through the a device called a "three-dimensional printer".

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Abstract

Noyau poreux modulaire pour le moulage de pièces à structure alvéolaire. Ce noyau est formé par plusieurs plaques empilées, chaque plaque étant une couche de volumes élémentaires ayant la même forme générale, préférentiellement sphérique. Lorsque les plaques sont empilées, ces volumes élémentaires sont imbriqués en empilement compact, de sorte qu'ils définissent entre eux des interstices dans lesquels le matériau à mouler s'infiltre lorsqu'il est à l'état fluide. Ce noyau est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux plaques de porosités différentes, de sorte que la structure alvéolaire de la pièce ainsi moulée comporte au moins deux zones de densités (et, subséquemment, de masses et de résistances) différentes. Procédé de fabrication, par moulage, d'un matériau solide à structure alvéolaire, utilisant un tel noyau.

Description

La présente invention concerne un noyau poreux modulaire pour le moulage de pièces à structure alvéolaire.
Qu'il s'agisse de construire des bâtiments, des véhicules ou des outils, il est généralement souhaitable de réduire la masse propre des pièces fabriquées.
D'abord parce que ladite masse peut constituer un handicap : la masse d'une poutre de longue portée peut l'amener à prendre de la flèche, les masses « non suspendues » d'une automobile nuisent à son comportement dynamique, etc.
Ensuite parce que « la masse appelle la masse » :
- la masse d'une dalle nécessite, pour la supporter, des piliers plus gros donc plus lourds qui pèsent davantage sur des fondations qu'il faut alors redimensionner, etc.
la masse d'une caisse automobile suppose un plus gros moteur, de plus grands freins, ce qui augmente la masse globale, etc.
Mais aussi parce que la masse est un indicateur de la quantité de matière utilisée.
Or, d'une part, le coût-matière peut poser problème, notamment lorsque le matériau employé est sophistiqué (béton fibré à hautes performances ; alliage métallique léger ; composite technique...) et, d'autre part, les matériaux industriels étant souvent issus de ressources naturelles non renouvelables, il sera de plus en plus nécessaire d'en faire un usage frugal. Par ailleurs, la vocation de certains dispositifs techniques de type « fusibles mécaniques » est de dissiper aussi progressivement que possible l'énergie d'une collision, d'un séisme ou de tout autre type de choc.
Ces dispositifs remplissent leur mission en se détruisant.
Afin de se dégrader de façon graduelle, ils peuvent comporter plusieurs « strates » dont les résistances mécaniques sont différenciées.
Pour ce faire, ils sont généralement constitués de pièces différentes dont l'assemblage forme un sous-ensemble sophistiqué, donc coûteux, et relativement encombrant.
Or, ces dispositifs sont souvent positionnés dans des espaces réduits et leur fonction sécuritaire ne les exempte pas de contraintes économiques.
Enfin, les deux problématiques citées ci-avant peuvent inciter à chercher une issue dans l'association de matériaux aux caractéristiques complémentaires. Malheureusement, on rencontre là une troisième problématique : celle de l'assemblage de matériaux de natures différentes.
Si chaque matériau est apte à remplir sa mission mais que la liaison entre eux est fragile ou instable, la pièce finale ne donnera évidemment pas longtemps satisfaction.
La présente invention vise à traiter principalement ces trois problématiques (réduire la masse de pièces structurelles sans amoindrir leur résistance mécanique ; accroître leurs capacités de dissipation d'énergie ; les optimiser en associant des matériaux de natures diverses) par un même procédé de fabrication de pièces à structure interne alvéolaire.
Par le passé, différentes recherches ont déjà été menées pour concilier performances mécaniques et économie de matière en utilisant des matériaux à structure alvéolaire : « béton cellulaire » dans le domaine du bâtiment, « mousses métalliques » dans les domaines de l'automobile et de l'aéronautique, etc.
Toutefois, les procédés de moussage par injection ou production de gaz génèrent des matériaux dont la structure irrégulière (les emplacements et les dimensions de leurs cavités sont aléatoires) s'avère difficilement modélisable et peu propices à l'obtention de
caractéristiques mécaniques optimales, surtout pour des pièces complexes.
En outre, que ce soit parce que leur composition chimique diffère fortement de celle du matériau réfèrent (cas du « béton » cellulaire dont les composants de base sont très différents de ceux du béton conventionnel) ou parce qu'elle est altérée par le procédé de moussage (cas des mousses métalliques qui intègrent des particules nécessaires à la stabilisation de la mousse mais néfastes à ses performances finales), les caractéristiques mécaniques de ces mousses sont généralement très inférieures à celles du matériau qu'elles visent à remplacer.
C'est pour obtenir les avantages de ces mousses sans leurs faiblesses que plusieurs auteurs ont cherché à reproduire de telles mousses par moulage d'un noyau régulier.
La demande de certificat d'utilité FR 2599664 du 9 juin 1986 et le brevet FR 2932705 du 19 juin 2008 constituent deux approches exemplaires de ces recherches.
Même si l'un des deux semble plus orienté vers les bétons et l'autre davantage dédié aux alliages métalliques, ces deux brevets sont applicables à n'importe quel matériau susceptible d'être fourni à l'état fluide puis de retourner à l'état solide à l'issue de son moulage. Afin d'échapper à la configuration aléatoire des mousses précédemment évoquées, ces deux procédés font appel à un noyau composé de nappes (ou plaques), elles-mêmes constituées d'une pluralité de volumes élémentaires.
Lesdits volumes élémentaires étant identiques les uns aux autres et arrangés entre eux en réseau régulier.
La principale différence entre ces deux brevets tient au type de volumes élémentaires choisi :
- Celui de 1986 utilise, en guise de volumes élémentaires, des sphères de même diamètre laissant naturellement entre elles des interstices dans lesquels est coulé le matériau à mouler ;
Celui de 2008 préfère faire appel à des paralléloèdres (qui ont pour avantage, et pour principale caractéristique, de paver entièrement l'espace), quitte à chanfreiner les arrêtes desdits paralléloèdres pour créer les interstices nécessaires au passage du matériau à mouler.
Dans chacun de ces deux brevets, les cavités obtenues sont identiques entre elles :
Pour le premier, l'identité des sphères entre elles est expliquée dans le texte de description, notamment de la ligne 33 de la page 1 à la ligne 3 de la page 2 et la configuration en maille régulière fait l'objet de la revendication N°9 ;
Pour le second, l'identité des paralléloèdres entre eux est induit par le principe même du pavage de l'espace et, de plus, expliqué de la ligne 26 à la ligne 34 de la page 4 du texte de description ;
Dans les deux cas, les dessins annexés montrent clairement l'identité de forme et de dimensions des volumes élémentaires entre eux au sein d'un même noyau. Par conséquent, le résultat visé par ces deux solutions (une totale homogénéité du réseau cellulaire pour une parfaite isotropie du matériau obtenu) est parfaitement atteint.
D'ailleurs, le brevet de 2008 est effectivement exploité industriellement à cette fin.
La présente invention ne vise donc pas à améliorer sur ce point l'un et/ou l'autre de ces brevets cités en références qui, à cet égard, donnent pleine satisfaction.
La présente invention poursuit un autre but. Dans une pièce structurelle, surtout si elle est complexe, l'intensité des sollicitations mécaniques diffère d'une zone à l'autre de ladite pièce.
Une utilisation optimale de la matière consisterait donc à en « piloter » finement la quantité en fonction du niveau de sollicitations mécaniques.
En outre, aucune pièce n'étant indestructible, il est préférable de savoir, voire de décider, à quel niveau de contraintes et de quelle façon elle va céder : c'est le principe du « fusible mécanique » qui nécessite, là aussi, que l'on puisse moduler la résistance d'une pièce selon différentes zones prédéterminées.
Or, les solutions de production de matériaux à structure cellulaire existantes ne le permettent pas : soit parce que leurs variations de densité sont aléatoires (cas des procédés à incorporation de gaz), soit parce qu'elles visent, au contraire, à obtenir une parfaite homogénéité de la structure alvéolaire (cas des deux brevets cités en référence).
Enfin, certaines sollicitations mécaniques (collision pour un véhicule, séisme pour un bâtiment, détonation pour un conteneur...) peuvent générer de grandes quantités d'énergie et les matériaux à structure alvéolaire présentent alors d'intéressantes aptitudes à la dissipation énergétique (c'est pourquoi ils sont utilisés pour des pièces de type « crash-box » telles que des longerons d'automobiles par exemple).
Toutefois, il ne suffit pas de dissiper cette énergie, encore faut-il le faire de façon progressive. Or, là encore, les matériaux à structure cellulaire homogène et isotrope ne se prêtent pas à cette progressivité et obligent donc les concepteurs à jouer sur les variations dimensionnelles des pièces elles-mêmes et sur des opérations de ré-usinage, ce qui n'est optimal ni en termes d'efficacité pure, ni en termes de conséquences (coût/masse/encombrement).
Par conséquent, la présente invention vise à moduler la densité de la structure alvéolaire (donc, sa résistance et aussi sa masse) en fonction de l'intensité des sollicitations mécaniques que doit subir chacune des différentes zones de la pièce à réaliser.
Pour illustrer le principe mécanique de la présente invention, il convient d'observer le comportement d'une pièce structurelle telle qu'une poutre par exemple :
Le schéma de la poutre qui subit un « flambement » sous l'action d'une force verticale est un classique des cours de résistance des matériaux : sa portion supérieure est réputée travailler en compression tandis que sa portion inférieure est réputée travailler en traction et que sa portion médiane est censée ne participer en aucune manière à l'effort mécanique global.
C'est la raison pour laquelle on peut évider la poutre en lui retirant une partie de sa portion médiane (que l'on nomme « fibre neutre ») sans nuire à ses performances mécaniques.
Dans la pratique, la répartition des forces n'est pas aussi binaire et, pour le comprendre, il suffit d'observer ce qu'il se passe entre la portion médiane et la surface de la poutre.
Si l'on subdivise cette poutre, par exemple en sept portions au lieu de trois, on considère que : la portion supérieure travaille beaucoup en compression et pas du tout en traction, - la deuxième portion travaille un peu moins que la première en compression et, comme sa consœur, elle ne travaille pas du tout en traction,
la troisième travaille un tout petit peu en compression et pas du tout en traction, la portion médiane ne travaille ni en compression, ni en traction,
la cinquième travaille un tout petit peu en traction et pas du tout en compression, - etc.
Par conséquent, on peut en déduire que la deuxième portion n'a pas besoin d'être aussi résistante à la compression que la première et que la troisième n'a pas besoin d'être aussi résistante à la compression que la deuxième, etc.
Le principe est le même dans le cas d'une pièce destinée à dissiper l'énergie d'un choc, seule la disposition des « portions » diffère : la zone la plus proche du point d'impact doit être la plus fragile, puis la zone adjacente doit l'être un peu moins, puis la suivante encore moins, etc.de sorte que la dissipation d'énergie soit progressive.
Or, la résistance à la compression d'une pièce (ou d'une portion de pièce) dépend, certes, de la nature du matériau choisi mais aussi de la quantité de matériau utilisée.
Bien sûr, on peut imaginer une pièce structurelle dont le c ur est réalisé en un premier matériau (léger et peu coûteux) recouvert d'un deuxième matériau un peu plus résistant (quitte à être plus cher et/ou plus lourd), lui-même gainé par un troisième matériau très résistant... De même, concernant les fusibles mécaniques, deux pièces structurelles peuvent être accouplées via un manchon de rupture réalisé dans un matériau plus fragile...
De telles associations sont courantes pour des pièces simples, telles que des tubes, mais sont plus difficilement industrialisables pour des pièces complexes. Une autre voie consiste à ne sélectionner qu'un seul matériau, par exemple le plus performant mécaniquement, mais en n'en utilisant pas la même quantité pour toutes les zones de la pièce. Cette seconde voie est celle qui est principalement explorée par la présente invention.
Simultanément, le procédé développé apporte aussi une réponse à la question de l'association de matériaux complémentaires.
En effet, lorsque l'on souhaite associer des matériaux de natures différentes, les assemblages mécaniques sont généralement ponctuels (ou, au mieux, multi-ponctuels) et les assemblages par adhésifs sont linéaires (ou, au mieux, planaires).
De ce fait les contraintes d'arrachement sont fâcheusement concentrées, ce qui génère cisaillement et/ou pelage desdits moyens de liaison.
Afin de disperser ces contraintes, la présente invention vise donc, secondairement, à permettre des assemblages « tridimensionnels » de matériaux.
Comme dans les deux brevets cités en références (et bien d'autres, non cités ici mais basés sur le même principe du moulage sur noyau), le procédé selon l'invention consiste à couler le matériau constitutif de la pièce finale sur un noyau poreux, perdu ou destructible, afin d'obtenir une pièce à structure alvéolaire.
Les spécificités de l'invention tiennent au fait que ledit noyau est ici conçu pour être modulaire et permettre de différencier sa porosité (et donc, de façon inverse et proportionnelle, la densité de la structure alvéolaire obtenue) selon des zones prédéterminées. Comme dans les brevets cités en références, ledit noyau (10) est constitué de plusieurs plaques empilées (20), elles-mêmes constituées de volumes (30) élémentaires (voir figures la, lb et le) Et, à l'instar du certificat d'utilité de 1986, les volumes élémentaires sont, préférentiellement, des sphères (31) juxtaposées en « arrangement hexagonal » (voir figure 2).
Les volumes élémentaires de la présente invention sont réalisables à partir d'autre formes géométriques que la sphère mais celle-ci présente au moins deux avantages : elle permet un spectre de variation de densité très large, elle génère des parois « en arches » totalement dépourvues d'angles rentrants, donc d'amorces de rupture.
C'est pourquoi la suite de l'exposé prendra comme hypothèse, non exclusive toutefois, que les volumes élémentaires sont sphériques ou approximativement sphériques. Ainsi, en empilant les plaques de telle sorte que les sphères d'une plaque se positionnent dans les creux de la plaque du dessous et de celle du dessus (voir figure 3), on obtient soit un « réseau cubique à faces centrées », soit un « réseau hexagonal compact ».
Ces réseaux étant les deux variantes de l'arrangement tridimensionnel le plus dense possible pour des sphères (voir la conjecture de Kepler).
Et, comme dans les deux brevets cités en référence, les volumes élémentaires d'une même plaque ont exactement les mêmes dimensions (s'agissant de sphères, le même diamètre).
Là s'arrête la similitude avec les brevets existants car, dans la présente invention, le diamètre des sphères peut varier d'une plaque à l'autre.
Simultanément, et afin que l'empilement en réseau tridimensionnel compact soit respecté quels que soient les diamètres des sphères des différentes plaques, l'écartement entre les centres géométriques des sphères est le même pour toutes les plaques d'un même noyau, quels que soient les diamètres de leurs sphères respectives.
NB : la valeur de cet écartement sera nommée « E » dans la suite de l'exposé ainsi que dans les revendications (voir figure 4).
C'est donc uniquement le diamètre des sphères d'une plaque donnée (selon qu'il soit inférieur, égal ou supérieur à E) qui détermine le niveau de porosité de ladite plaque.
Et c'est cette variation de porosité du noyau modulaire qui permet, à son tour, de moduler la densité de la structure alvéolaire d'une zone à l'autre de la pièce moulée.
Si ce diamètre est inférieur à E, alors lesdites sphères (32) sont maintenues à la juste distance les unes des autres par de petites excroissances cylindriques (40), citées mais non revendiquées par la présente demande car déjà présentes dans la référence de 1986 (voir figure 5).
Dans ce cas, quelques-unes (33) parmi lesdites sphères font exception à la règle d'égalité entre les sphères d'une même plaque en adoptant un diamètre égal à E de sorte que la distance entre le plan médian de la plaque concernée et le plan médian de la plaque qui lui est immédiatement juxtaposée soit maintenue égale à F (voir figure 6).
Il faut au moins trois de ces sphères de diamètre égal à E par plaque (une seule constituerait un pivot sphérique et deux formeraient un axe linéaire autour duquel la plaque pourrait tanguer). D'un point de vue industriel, le plus simple est d'en prévoir une quantité constante pour une superficie de plaque donnée. De plus, sans que cela soit absolument nécessaire, les réunir par groupes de trois facilite le positionnement des plaques.
L'empilement de ces plaques à « petites sphères » génère une zone dans laquelle les interstices sont de relativement fortes dimensions et, donc, où la densité de la structure alvéolaire sera élevée.
Si, au contraire, le diamètre des sphères d'une plaque est supérieur à E, alors lesdites sphères (34) s'interpénétrent (figures 7a et 8 ) et, dans ce cas, deux modèles de plaques se complètent :
Un premier modèle, appelé « plaque épaisse » (voir figure 7a), dans lequel les calottes sphériques de la face supérieure et celles de la face inférieure (50) de la plaque sont facettées chacune par trois disques (60), chaque disque étant défini par le plan d'interpénétration virtuelle entre chacune desdites calottes et les trois sphères de la plaque adjacente avec lesquelles ladite calotte est en contact.
L'empilement de plaques de ce modèle génère une zone dans laquelle les interstices (80) sont de relativement faibles dimensions et, donc, où la densité de la structure alvéolaire sera basse (voir figure 8) ;
Un second modèle, appelé « plaque de transition » (voir figure 7b), est identique au premier sur l'une de ses faces mais en diffère sur l'autre face dont les demi-sphères (70) voient leur diamètre ramené à la valeur de E.
La dénomination de cette plaque vient du fait qu'elle sert à assurer la transition entre une plaque épaisse et une plaque dont le diamètre des sphères est égal à E (ou même une plaque dont le diamètre des sphères est inférieur à E, telle que décrite ci-avant) sans générer de discontinuité structurelle, synonyme de fragilité locale.
Un dernier type de plaques (90), simplement plates (hormis des cuvettes destinées à caler les sphères des plaques adjacentes) et étanches (dépourvues d'interstices) complète ce système afin de permettre d'aménager des zones « vides » (140), c'est-à-dire totalement exemptes du matériau constitutif de la pièce finale, au sein de ladite pièce moulée (voir figure 9).
Ces zones vides, ménagées précisément là où la pièce moulée n'est pas censée subir de sollicitations mécaniques, allègent encore un peu ladite pièce moulée et sont propices au passage d'équipement électriques, aérauliques ou autres. Enfin, lorsqu'au contraire on souhaite générer une cloison étanche au sein de la pièce moulée, des entretoises (100) sont préalablement réalisées dans le matériau constitutif de ladite pièce. Ces entretoises permettent de tenir deux plaques écartées l'une de l'autre, générant ainsi un espace (voir figure 10) qui, une fois rempli par le matériau moulé, formera une cloison pleine. Deux cloisons, espacées par une plaque ou un groupe de plaques, définissent une poche étanche qu'il sera possible, par exemple, de remplir ensuite d'un liquide ou d'un gaz.
Si besoin, il suffit de réaliser des gorges par découpage ou rainurage dans la plaque ou le groupe de plaques) prise entre ces deux cloisons pour compartimenter cette poche étanche. Les étapes du processus de moulage sont les suivantes : des plaques poreuses sont réalisées à partir de volumes élémentaires,
les plaques de différents types et porosités sont sélectionnées en fonction des besoins, si nécessaire, lesdites plaques sont découpées selon les contours de la pièce à mouler, - les plaques sont empilées en incluant, le cas échéant, les éventuelles entretoises,
le noyau ainsi constitué est introduit dans un moule,
le matériau constitutif de la pièce à réaliser, versé (par coulée gravitationnelle simple ou sous vibrations ou encore par injection sous pression ou dépression) dans ledit moule lorsqu'il est à l'état fluide, s'introduit dans les interstices du noyau,
- une fois que le matériau à mouler s'est solidifié (par refroidissement, réticulation,
dessication, etc. selon la nature dudit matériau), le moule est ouvert,
éventuellement, le noyau est détruit (en totalité ou en partie),
tout aussi optionnellement, les alvéoles vides sont emplies d'un ou de différents matériaux aux propriétés complémentaires.
Pour certaines applications (par exemple du prototypage), la pièce peut être réalisée par fabrication additive via une imprimante 3D.
Dans ce cas, le noyau est virtuel : il n'existe que sous une forme numérique. Le noyau selon l'invention est dit « modulaire » car il est constitué, au cas par cas, par l'assemblage de plaques différentes préfabriquées industriellement. La densité de la structure alvéolaire, identique au taux de porosité des plaques, sera donc définie zone par zone (voir figure 11).
Si par exemple, dans une zone donnée de la pièce finale, les sphères ont un diamètre égal à E, alors elles occuperont 74 % de l'espace disponible dans ladite zone (voir la conjecture de
Kepler) et les interstices n'en occuperont que les 26% complémentaires.
Par conséquent, une fois le matériau constitutif de la pièce finale coulé, la densité de la structure alvéolaire dans cette zone sera de 26 %.
Si, dans une zone donnée, le diamètre des sphères est inférieur à E, les interstices y seront de grandes dimensions et la densité de la structure alvéolaire y sera élevée (comprise entre 26 % et 99 % en fonction du diamètre des sphères).
Si dans une zone donnée, le diamètre des sphères est supérieur à E, les interstices y seront de dimensions réduites et la densité de la structure alvéolaire y sera basse (comprise entre 1 % et 26 % en fonction du diamètre des sphères).
Enfin, si dans une zone donnée le noyau est constitué de plaques étanches, le matériau constitutif de la pièce moulée en sera totalement absent (densité de 0%).
On voit là l'avantage des sphères par rapport aux paralléloèdres : ceux-ci, en ne permettant de jouer que sur l'importance, forcément limitée, des congés ne laissent que trop peu d'amplitude quant au dimensionnent des interstices.
C'est pourquoi, dans la pratique, les pièces issues du procédé selon le brevet de 2008 cité en référence ne sont capables de couvrir qu'un étroit spectre de densités.
Non seulement leur densité de structure cellulaire est uniforme pièce par pièce mais, de plus, elle est limitée aux alentours de 5% pour les plus légères d'entre elles contre à peine 15% pour les plus lourdes.
Cette faible amplitude n'est évidemment pas gênante dans le cadre du brevet de 2008 cité en référence, au contraire même, puisque son but est précisément d'obtenir une structure cellulaire parfaitement isotrope et de faible masse volumique.
Mais, même en faisant abstraction de la problématique de coexistence de différents niveaux de porosité au sein du même noyau, cette faible amplitude serait trop limitante pour atteindre les objectifs de la présente invention. A l'inverse, la densité de la structure des pièces réalisées selon la référence de 1986 pourrait être de 99% pour les plus lourdes (dans la pratique, il n'y a guère d'intérêt à dépasser 60%) contre, au mieux, 26 % pour les plus légères.
Cette limite basse, induite géométriquement par le procédé de ladite référence n'était pas gênante, car un béton 4 fois plus léger que le standard constituait, dans le cadre de l'utilisation envisagée en 1986, une performance largement suffisante.
Mais, là aussi, elle serait trop handicapante pour les objectifs de la présente invention.
Sans compter que ce procédé, lui non plus, ne permet pas d'assurer une transition progressive entre deux densités différentes sans générer de discontinuité structurelle.
Pour résumer, si le spectre de densités réalisables avec des sphères est plus large que celui des paralléloèdres, il ne peut couvrir des densités inférieures à 26 % que si lesdites sphères ont la possibilité de s'interpénétrer.
Le procédé de 1986 ne permet pas de descendre sous cette barrière (ce dont ledit certificat d'utilité convient explicitement de la ligne 34 de la page 1 à la ligne 3 de la page 2) précisément parce qu'il ne dispose pas de cette possibilité d'interpénétration.
Concomitamment, ledit procédé détermine la densité de la pièce à réaliser, à l'inverse de la présente invention, non pas en jouant sur la dimension des sphères mais sur l'écartement entre elles (ce qui y est expliqué de la ligne 36, page 2, à la ligne 12, page 3).
Or, pour que différentes densités puissent coexister au sein de la même pièce sans générer de discontinuité de la structure alvéolaire (ce qui générerait une zone de fragilité), il faut que des plaques de porosités différentes demeurent compatibles (c'est-à-dire que, lorsqu'on les empile, leurs sphères respectent un empilement tridimensionnel compact).
Ce dernier point nécessitant à son tour que, d'une part, F soit constant au sein d'un même noyau et que, d'autre part, les plaques comportent les spécificités décrites ci-avant.
NB : dans la pratique il est probable que, pour d'évidentes raisons de standardisation des plaques, on ne fasse varier leur porosité que de 5 % en 5 % et ce dans un spectre
vraisemblablement compris entre 95% et 40% pour des densités finales de la structure alvéolaire comprises entre 5% et 60%.
Quoi qu'il en soit, dans la présente invention, en positionnant des plaques très poreuses dans les zones destinées à subir de fortes sollicitations mécaniques et des plaques peu poreuses dans les zones moins sollicitées, on adapte la densité de la structure alvéolaire à l'intensité des sollicitations mécaniques, zone par zone. Ainsi, on réduit sensiblement la masse de la pièce moulée tout en maintenant sa cohésion d'ensemble et sans nuire à ses performances mécaniques.
Au contraire même : car, dans le cas d'un élément porteur, sa capacité de charge totale restant identique et sa masse propre étant réduite, sa capacité de charge utile augmente d'autant. L'exemple de la poutre est le plus évident (voir figure 12) mais le procédé s'applique à toute pièce structurelle, y compris de formes complexes et/ou de dimensions extrêmes.
De même, le gain de masse autorisé par la présente invention correspond, pour les pièces suspendues, à une augmentation de portée proportionnelle.
Illustrons cela avec l'hypothèse de la dalle haute, par exemple d'une épaisseur de 30 cm, d'une salle de spectacle dont on souhaiterait minimiser le nombre de piliers (voir figure 13) : les peaux de surface supérieure et inférieure de ladite dalle, garnies de ferrages et subissant les plus fortes contraintes, ont une densité de 100 % (110) sur, par exemple, une épaisseur de 2,5 cm chacune,
- chacune de ces peaux est suivie par une couche moins sollicitée mécaniquement, par exemple épaisse de 5 cm pour une densité de structure alvéolaire de 40 % (120), une dernière couche, par exemple d'une densité de structure alvéolaire de 20 % (130) pour 15 cm d'épaisseur, dont le seul rôle est d'assurer la cohésion entre la face supérieure et la face inférieure de ladite dalle.
Une telle dalle, tout en conservant intacte sa tenue à la flexion et en assurant pleinement sa mission de contreventement horizontal du bâtiment, verra sa masse divisée par 2,5.
Donc, sa portée entre deux piliers serait multipliée par 2,5.
Bien sûr, pour que le procédé permette un allégement conséquent des pièces ainsi réalisées, il convient que le matériau constitutif des sphères soit destructible et/ou d'une masse volumique beaucoup plus faible que celle du matériau constitutif de la pièce moulée.
Par ailleurs, les sphères étant réalisables à partir d'un large panel de matériaux (polystyrène, eau gelée, sable aggloméré, cire de fonderie, élastomères, etc.), il est possible d'associer des couches (ou portions de couches) de différentes natures si on souhaite détruire, après réalisation de la pièce moulée, certaines couches (ou portions de couches) mais pas d'autres. Cette possibilité peut notamment s'avérer utile pour conserver au sein de la pièce moulée des associations de matériaux aux caractéristiques complémentaires : dans le cas d'un mur d'habitation par exemple, un matériau peut apporter sa capacité d'isolation phonique pendant qu'un autre apporte sa capacité d'isolation thermique.
Ainsi, il est possible d'associer plusieurs matériaux de deux façons différentes :
Comme on vient de le voir, en conservant tout ou partie du noyau au sein de la pièce moulée (par exemple un noyau de polystyrène dans une pièce finale en béton) ;
En remplaçant tout ou partie dudit noyau par un autre matériau (par exemple en coulant dans une pièce réalisée en métal, un second métal dont le point de fusion serait plus bas que celui du premier). Coupler les deux méthodes permet des associations complexes de matériaux multiples.
De nombreuses applications peuvent profiter de ces possibilités d'assemblages :
Un noyau en élastomère de relativement forte dureté Shore conservé au sein d'une pièce moulée en élastomère de faible dureté Shore, permettrait de ménager des transitions progressives entre zones de souplesses différenciées (par exemple pour réaliser un pneu sans chambre à air ou une pièce destinée à absorber les vibrations) ;
Une pièce de transmission, réalisée dans un alliage choisi pour sa grande résistance mécanique, pourrait se voir additionnée, en remplacement d'une partie de son noyau, d'un élément coulé dans un matériau à très faible coefficient de friction (pour peu que les deux aient des coefficients de dilatation proches, bien sûr).
Ce dernier exemple permet d'illustrer l'intérêt de remplacer un assemblage mécanique conventionnel ou un assemblage adhésif par une interpénétration dégressive selon l'invention. Dans le cas des rivets, goujons, ou autres vis, les contraintes mécaniques vont tendre à cisailler ces éléments de liaison et, dans le cas du collage, elles vont générer un arrachement ou pelage. Alors que dans le procédé selon l'invention, l'assemblage est tridimensionnel.
Ainsi, les contraintes mécaniques n'ont plus la possibilité de se concentrer sur un plan unique, elles se dispersent sur tout le volume où les deux matériaux sont mêlés. Si le procédé selon l'invention optimise le rapport masse/résistance mécanique des pièces moulées et permet l'association de matériaux de natures complémentaires, il présente concomitamment un autre avantage : toutes les structures cellulaires ont, eu égard à leur masse, de grandes aptitudes à la dissipation d'énergie, mais la structure alvéolaire selon l'invention y ajoute une progressivité programmable.
Ainsi, en créant volontairement une zone plus fragile au sein d'une pièce, on peut déterminer : l'endroit précis où la pièce se brisera,
le niveau de contraintes qui déclenchera la rupture,
- la manière dont le fusible mécanique ainsi créé va rompre ( une aire de fragilité
homogène amènerait une rupture franche et brusque, alors qu'une aire constituée de zones de différentes densités volumiques générera une rupture plus progressive).
On comprend l'intérêt d'un tel fusible au sein d'une machine mais, à plus grande échelle, ce procédé peut aussi s'appliquer à des bâtiments : par exemple, une zone de rupture prévue dans les poutres (figure 14) pour exploiter le principe « poteau fort/poutre faible » en cas de séisme. Dans tous les cas, la rupture programmée de la pièce permettra de dissiper une quantité d'énergie préalablement calculée. Ce sont ces mêmes capacités de dissipation progressive d'énergie qui, à quantité de matière égale, permettent au procédé selon l'invention d'optimiser toute pièce (crash-box de véhicule, butée de fin de voie ferrée ou tout autre type de bouclier) destinée à encaisser une collision.
Dans de telles applications, on positionne les plaques du noyau modulaire dans un sens différent de celui que l'on emploierait pour une poutre : les plaques sont empilées, non pas parallèlement à l'axe longitudinal de la pièce, mais perpendiculairement à celui-ci.
L'ordre aussi diffère : les zones de densités sont déterminées, non en fonction de l'intensité des sollicitations mécaniques, mais en fonction de leur chronologie.
Par exemple, si la pièce réalisée selon le procédé de l'invention est un longeron-brancard d'automobile (voir figures 15a et 15b), la densité de la structure alvéolaire sera faible à l'avant de la pièce (première partie sollicitée par la collision) et de plus en plus élevée ensuite, de façon à atténuer la violence du choc de façon progressive. Outre ces applications spécifiques, le procédé selon l'invention est adaptable aux applications habituelles des matériaux cellulaires (échanges thermiques, amortissements vibratoires, etc.), dès qu'il y a un intérêt à disposer de zones à densités volumiques différenciées.
Par exemple, dans le cas d'une prothèse destinée à être insérée au sein d'un os brisé, on utilise déjà des structures cellulaires dont la porosité permet une « ostéo-intégration » : l'organisme fabrique de l'os qui « colonise » la prothèse en remplissant les espaces vides.
Ce phénomène sera plus efficace avec le procédé selon l'invention puisque, la densité de la structure alvéolaire étant progressive, l'imbrication avec la matière osseuse le sera aussi. Quelle que soit l'application de la présente invention, la nature du matériau constitutif de la pièce finale déterminera en grande partie celle du matériau constitutif du noyau modulaire en ce sens qu'un matériau fluide « à température ambiante » (béton, plâtre, etc.) laisse davantage de latitude à cet égard qu'un matériau qu'on ne peut mouler qu'à chaud (polymère thermoplastique, etc.), voire à température de fusion (alliage métallique, etc.)
Par ailleurs, la valeur de l'écartement E entre les sphères dépendra grandement de la granulométrie et de la ductilité du matériau constitutif de la pièce moulée : par exemple de l'ordre de quelques mm pour un polymère ou un alliage métallique, il pourra, toujours en guise d'exemple, être de de l'ordre de quelques cm (voire de quelques dm) pour un béton.
Pour mémoire, il est rappelé que dans le procédé selon l'invention, la densité de la structure alvéolaire ne dépend pas de la dimension des alvéoles dans l'absolu, mais du ratio entre cette dimension et l'écartement E entre les centres desdites alvéoles.
Les dessins annexés illustrent la présente invention :
La figure la représente, en perspective schématique, un noyau quelconque selon l'invention. La figure lb représente, en perspective schématique, les plaques qui composent ledit noyau. La figure le représente, en perspective schématique, les volumes élémentaires qui composent lesdites plaques.
La figure 2 représente, en vue de dessus, l'arrangement hexagonal des sphères constitutives d'une plaque quelconque d'un noyau selon l'invention.
La figure 3 représente, en coupe, l'empilement de plusieurs plaques selon la conjecture de Kepler. La figure 4 représente, en vue de côté, trois plaques constitutives d'un même noyau : une dont les sphères ont un diamètre inférieur à £, une dont les sphères ont un diamètre égal à f et une dont les sphères ont un diamètre supérieur à E .
La figure 5 représente, en vus de face, une portion d'une plaque dont les sphères ont un diamètre inférieur à f.
La figure 6 représente, en vue de côté, une portion de plaque dont les sphères ont un diamètre inférieur à E, exception faite de certaines d'entre elles qui ont un diamètre égal à E.
La figure 7a représente, en vue de côté, une portion de plaques dite « de transition ».
La figure 7b représente, en vue de côté, une portion de plaques dite « épaisse ».
- La figure 8 représente, en vue de face, une portion d'une plaque dont les sphères ont un
diamètre supérieur à E .
La figure 9 représente, en vue de côté, une plaque non poreuse insérée au sein de plaques poreuses.
La figure 10 représente, en vue de côté, des entretoises insérées entre des plaques.
- La figure 11 représente, en vue de côté, un noyau de moulage selon l'invention, constitué de plusieurs plaques de porosités différentes empilées.
La figure 12 représente, en perspective, la tranche d'une poutre réalisée par le procédé selon l'invention.
La figure 13 représente, en perspective, une dalle de bâtiment réalisée par le procédé selon l'invention.
La figure 14 représente, en coupe longitudinale, une poutre intégrant des fusibles mécaniques réalisés par le procédé selon l'invention.
La figure 15a représente, en coupe, un longeron de véhicule destiné à dissiper l'énergie d'une collision.
- La figure 15b représente, en coupe, le même longeron après la collision. En résumé, le noyau poreux (10) selon la présente invention comporte au moins deux plaques (20) de porosités différentes.
Lesdites paques (20) sont constituées de volumes élémentaires (30).
La valeur de l'écartement E entre les centres géométriques desdits volumes
élémentaires (30), commune à toutes les plaques (20) d'un même noyau (10), est indépendante du cubage desdits volumes élémentaires (30).
Le cubage des volumes élémentaires (30) d'une quelconque plaque (20) peut sensiblement différer du cubage des volumes élémentaires (30) d'autres plaques (20) du même noyau (10).
D'autre part, les diamètres des sphères de deux modèles spécifiques de plaques respectivement appelées « plaques épaisses » et « plaques de transition » sont égaux entre eux et supérieurs à E de sorte que lesdites sphères s'interpénétrent virtuellement. Chaque sphère (34) de chaque plaque épaisse est facettée par six disques (trois en face supérieure et trois en face inférieure), chacun de ces disques (60) étant défini par le plan d'interpénétration virtuelle entre ladite sphère 34) et l'une des six sphères (34) des plaques épaisses adjacentes (au-dessus et en dessous) avec lesquelles ladite sphère (34) est en contact.
Chaque demi-sphère de la première face de chaque plaque de transition est facettée par trois disques (60), chacun de ces disques (60) étant défini de la même façon que les disques (60) des plaques épaisses, de sorte que ladite première face s'ajuste avec n'importe quelle plaque épaisse,
Le diamètre de chaque demi-sphère (70) de la seconde face de chaque plaque de transition est ramené à la valeur de E, de sorte que chaque plaque de transition s'ajuste avec n'importe quelle autre plaque (20) dont le diamètre des sphères (31 ou 30) serait inférieur ou égal à E,
Afin d'éviter la formation d'angles de rupture sur la structure alvéolaire, l'arrête de la demi-sphère de la première face est abattue par un congé convexe.
Il est à noter que les plaques (20) du noyau modulaire (10) sont généralement constituées de matériaux destructibles après la coulée et/ou de masses volumiques sensiblement inférieures à la masse volumique du matériau constitutif de la pièce moulée.
De même, le matériau constitutif d'une plaque (20) peut être d'une autre nature que les matériaux respectivement constitutifs des autres plaques (20), de sorte qu'il soit possible, après la coulée, de détruire certaines parties dudit noyau (10) tout en en conservant d'autres.
D'autre part, des entretoises (100) préalablement réalisées dans le matériau constitutif de la pièce moulée servent à écarter le noyau (10) des bords du moule et/ou à écarter certaines plaques (20) les unes des autres, permettant de la sorte audit matériau constitutif de ladite pièce moulée de s'introduire à l'état fluide dans les espaces vides ainsi générés et d'y former des cloisons étanches autour et/ou au sein de la structure alvéolaire.
Afin de former un fusible mécanique dont la rupture intervient dès qu'un niveau de contraintes mécaniques prédéterminé est atteint, la porosité du noyau (10) selon l'invention peut être sensiblement moins élevée dans une zone particulière que dans les autres zones de la structure alvéolaire.
Dans d'autres cas, la densité de la structure alvéolaire de chaque zone est choisie de sorte à être proportionnelle à l'intensité des sollicitations mécaniques que devra subir ladite zone.
Le procédé de fabrication d'une structure alvéolaire, basé sur le noyau poreux (10) selon l'invention, comprend les étapes suivantes :
on sélectionne des plaques (20) de différents types et porosités, telles que décrites précédemment,
on découpe lesdites plaques (20) poreuses selon les contours de la pièce à réaliser, on constitue un noyau (10) selon l'invention, en empilant lesdites plaques poreuses (20) et, si nécessaire, en insérant entre certaines d'entre elles des entretoises 100), on positionne ledit noyau poreux (10) 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 (80) dudit noyau poreux(lO),
après solidification dudit matériau on ouvre ledit moule et, de façon optionnelle, on détruit toutes ou certaines plaques (20) dudit noyau (10),
on remplit, là aussi de façon optionnelle, les alvéoles vides avec un ou différents autre(s) matériau(x).
Il est à noter que le noyau poreux (10) selon l'invention peut être numérique et virtuel afin de permettre la réalisation d'une pièce par fabrication additive, en déposant des couches successives du matériau constitutif de ladite pièce par l'entremise d'un appareil appelé « imprimante tridimensionnelle ».

Claims

REVENDICATIONS
1) Noyau poreux (10) pour moulage d'un matériau solide à structure alvéolaire constitué d'une pluralité de plaques (20) superposées, chaque plaque étant une couche de volumes élémentaires (30) juxtaposés en arrangement hexagonal, caractérisé en ce que :
les volumes élémentaires (30) sont, préférentiellement mais non exclusivement, de forme sphérique ou approximativement sphérique et sont appelés « sphères » (31), l'écartement E entre les centres géométriques desdites sphères (31) est invariable au sein de chaque plaque (20) et commun à toutes les plaques (20) dudit noyau (10), le diamètre des sphères (31) est indépendant de l'écartement E entre leurs centres géométriques et peut donc lui être inférieur, égal ou supérieur,
- le ratio entre l'écartement E et le diamètre des sphères d'une quelconque plaque (20) détermine les dimensions des interstices (80) laissés entre lesdites sphères (31), donc le niveau de porosité de ladite plaque (20) et, subséquemment, la densité de la structure alvéolaire moulée,
le diamètre des sphères (31) d'une quelconque plaque (20), et subséquemment son niveau de porosité, peut sensiblement différer du diamètre des volumes sphères (31) d'autres plaques (20) dudit noyau (10),
ledit noyau (10) comporte au moins deux plaques (20) de porosités différentes.
2) Noyau poreux (10) selon la revendication 1 caractérisée en ce que :
- les plaques (20) dont la majorité des sphères (32) ont un diamètre inférieur à E sont équipées d'au moins trois sphères dites « d'assemblage » (33) dont le diamètre est égal à E, de sorte que la distance entre le plan médian d'une quelconque desdites plaques (20) et le plan médian de la plaque (20) qui est adjacente à sa face inférieure ou supérieure soit maintenue égale à E,
- à l'exception des sphères dites d'assemblage (33), toutes les sphères d'une même
plaque (20) ont le même diamètre. 3) Noyau poreux (10) selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que :
les diamètres des sphères de deux modèles spécifiques de plaques (20) respectivement appelées « plaques épaisses » et « plaques de transition » sont supérieurs à E de sorte que lesdites sphères s'interpénétrent virtuellement,
chaque sphère (34) de chaque plaque épaisse est facettée par six disques (60), chacun de ces disques (60) étant défini par le plan d'interpénétration virtuelle entre ladite sphère (34) et l'une des six sphères (34) des plaques épaisses adjacentes avec lesquelles ladite sphère (34) est en contact,
chaque demi-sphère de la première face de chaque plaque de transition est facettée par trois disques (60), chacun de ces disques (60) étant défini de la même façon que les disques (60) des plaques épaisses, de sorte que ladite première face s'ajuste avec n'importe quelle plaque épaisse,
le diamètre de chaque demi-sphère (70) de la seconde face de chaque plaque de transition est ramené à la valeur de E, de sorte que chaque plaque de transition s'ajuste avec n'importe quelle autre plaque (20) dont le diamètre des sphères (31 ou 30) serait inférieur ou égal à E,
4) Noyau poreux (10) selon les revendications précédentes caractérisé en ce que :
les plaques (20) du noyau modulaire (10) sont constituées de matériaux destructibles après la coulée et/ou de masses volumiques sensiblement inférieures à la masse volumique du matériau constitutif de la structure alvéolaire ainsi moulée.
5) Noyau poreux (10) selon les revendications précédentes caractérisé en ce que le
matériau constitutif d'une plaque (20) est d'une autre nature que les matériaux respectivement constitutifs des autres plaques (20), de sorte qu'il est possible, après la coulée, de détruire certaines parties dudit noyau (10) tout en en conservant d'autres.
6) Noyau poreux (10) selon les revendications précédentes caractérisé en ce que des
entretoises (100) préalablement réalisées dans le matériau constitutif de la structure alvéolaire moulée servent à écarter le noyau (10) des bords du moule et/ou à écarter certaines plaques (20) les unes des autres, permettant de la sorte audit matériau constitutif de ladite structure alvéolaire moulée de s'introduire à l'état fluide dans les espaces vides ainsi générés et d'y former des cloisons étanches autour et/ou au sein de ladite structure alvéolaire.
7) Noyau poreux (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la porosité dudit noyau (10) est sensiblement moins élevée dans une zone particulière que dans les autres zones de la structure alvéolaire moulée de sorte que la faible densité de structure alvéolaire ainsi obtenue dans ladite zone particulière forme un fusible mécanique dont la rupture intervient dès qu'un niveau de contraintes mécaniques prédéterminé est atteint.
8) Noyau poreux (10) selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le niveau de
porosité des plaques (20) et, subséquemment, la densité de la structure alvéolaire de chaque zone de la structure alvéolaire à mouler est choisie de sorte à être
proportionnelle à l'intensité des sollicitations mécaniques prévues pour ladite zone.
9) Procédé de moulage d'un matériau solide à structure alvéolaire au sein d'un noyau
poreux (10) selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
on sélectionne des plaques poreuses (20) de différents types et taux de porosités, - on découpe lesdites plaques poreuses (20) selon les contours de la structure alvéolaire à réaliser,
on constitue le noyau poreux (10), en empilant lesdites plaques poreuses (20) et, si nécessaire, en insérant entre certaines d'entre elles des entretoises (100),
on positionne ledit noyau (10) 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 (80) dudit noyau (10),
après solidification dudit matériau on ouvre ledit moule et, de façon optionnelle, on détruit toutes ou certaines plaques (20) dudit noyau (10),
on remplit, là aussi de façon optionnelle, les alvéoles vides avec un ou différents autre(s) matériau(x). 10) Procédé de fabrication utilisant un noyau poreux (10) selon les revendications 1, 2, 3 et 8 caractérisé en ce que ledit noyau (10) est virtuel et numérique de façon à permettre la réalisation de pièces à structure alvéolaire par fabrication additive.
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