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FR3150777A1 - Geodesic structure with transmission of forces in two perpendicular directions and production method. - Google Patents

Geodesic structure with transmission of forces in two perpendicular directions and production method. Download PDF

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FR3150777A1
FR3150777A1 FR2307145A FR2307145A FR3150777A1 FR 3150777 A1 FR3150777 A1 FR 3150777A1 FR 2307145 A FR2307145 A FR 2307145A FR 2307145 A FR2307145 A FR 2307145A FR 3150777 A1 FR3150777 A1 FR 3150777A1
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FR
France
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stiffening elements
geodesic structure
mandrels
structure according
producing
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FR2307145A
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Sébastien DEVILLEZ
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Latecoere SA
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Publication date
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Abstract

L’invention se rapporte à une structure géodésique (1) de transmission des efforts selon deux directions perpendiculaires dans un panneau d’une architecture de configuration donnée. La structure comporte des éléments raidisseurs (10) présentant des faces (F1, F2, Fb) articulées sur des arêtes (A1, A2) s’étendant parallèlement à l’une des directions. Chaque élément (10) a une section triangulaire perpendiculairement à cette direction et les éléments raidisseurs (10) sont assemblés entre eux en au moins une couche de sorte que les faces (F1, F2, Fb) constituent, en section, une surface géodésique. Au moins une peau (P1, P2) est solidarisée sur chaque ensemble de faces (Fb) et/ou d’arêtes (A2) d’éléments raidisseurs d’extrémité de l’assemblage formant des surfaces de consolidation de la structure (1). Figure de l’abrégé : [Fig. 1] The invention relates to a geodesic structure (1) for transmitting forces in two perpendicular directions in a panel of a given configuration architecture. The structure comprises stiffening elements (10) having faces (F1, F2, Fb) articulated on edges (A1, A2) extending parallel to one of the directions. Each element (10) has a triangular section perpendicular to this direction and the stiffening elements (10) are assembled together in at least one layer so that the faces (F1, F2, Fb) constitute, in section, a geodesic surface. At least one skin (P1, P2) is secured to each set of faces (Fb) and/or edges (A2) of end stiffening elements of the assembly forming consolidation surfaces of the structure (1). Abstract figure: [Fig. 1]

Description

Structure géodésique à transmission d’efforts selon deux directions perpendiculaires et procédé de réalisation.Geodesic structure with transmission of forces in two perpendicular directions and production method.

L’invention se rapporte à une structure de type géodésique permettant une transmission des efforts selon deux directions perpendiculaires dans un panneau d’une architecture donnée. On entend classiquement par « structure géodésique » une surface définissant un volume et constituée d’entretoises élémentaires en alliage métallique ou autre matériau rigide, agencées pour former un treillis triangulé rigide. Ce tressage donne une grande résistance à l’ensemble car chaque entretoise supporte les efforts d’autres entretoises, même situées à distance. Ce type de structure a été utilisée dans le passé pour réaliser des fuselages ou des voilures d’avion.The invention relates to a geodesic type structure allowing the transmission of forces in two perpendicular directions in a panel of a given architecture. The term "geodesic structure" is conventionally understood to mean a surface defining a volume and consisting of elementary spacers made of metal alloy or other rigid material, arranged to form a rigid triangular lattice. This braiding gives great resistance to the assembly because each spacer supports the forces of other spacers, even those located at a distance. This type of structure has been used in the past to produce aircraft fuselages or wings.

La présente invention s’applique aux panneaux d’architecture présentant des structures capables de transmettre les efforts selon deux directions. Ce besoin de structure se trouve plus particulièrement dans le domaine aéronautique où l’on est amené à devoir transporter des efforts tranchants dans deux directions perpendiculaires, notamment dans les architectures suivantes :

  • porte d’avion constituée de poutres et cadre ou trappe de train d’atterrissage constituée de longerons et cadre, avec une direction dans le sens du fuselage et une direction dans le sens des cadres perpendiculaires à la première direction ;
  • caisson de voilure constitué de longerons et nervures ou éléments mobiles de cette voilure (aileron, volet, lame, gouverne) avec une direction dans le sens de l’envergure et l’autre dans le sens du des nervures ;
  • plancher pressurisé de cabine, constitué de lisses et cadre.
The present invention applies to architectural panels having structures capable of transmitting forces in two directions. This need for a structure is found more particularly in the aeronautical field where it is necessary to transport shear forces in two perpendicular directions, in particular in the following architectures:
  • aircraft door made of beams and frame or landing gear door made of spars and frame, with one direction in the direction of the fuselage and one direction in the direction of the frames perpendicular to the first direction;
  • wing box consisting of spars and ribs or moving elements of this wing (aileron, flap, blade, rudder) with one direction in the span direction and the other in the rib direction;
  • pressurized cabin floor, made of rails and frame.

Ce besoin peut également se retrouver dans les autres domaines de la construction : bâtiment, chemin de fer, navigation, etc.This need can also be found in other areas of construction: building, railways, navigation, etc.

Classiquement, un double raidissement selon deux directions perpendiculaires est mis en œuvre. Par exemple, dans une structure de porte d’avion, ce double raidissement est réalisé d’une part par des poutres disposées suivant le sens axial du fuselage et d’autre part par des cadres disposés parallèles suivant la direction transverses à l’axe du fuselage, avec l’utilisation d’au moins trois cadres. Cette structure conduit à de nombreux croisements où seul l’un des deux éléments de raidissement, poutres ou longerons, peut rester continu. Il implique donc l’utilisation de nombreuses pièces de liaison sur l’élément de raidissement découpé en sections, ce qui fragilise également l’ensemble, et ajoute du poids ainsi que du temps de réalisation.Traditionally, double stiffening in two perpendicular directions is implemented. For example, in an aircraft door structure, this double stiffening is achieved on the one hand by beams arranged along the axial direction of the fuselage and on the other hand by frames arranged parallel along the direction transverse to the fuselage axis, with the use of at least three frames. This structure leads to numerous crossings where only one of the two stiffening elements, beams or spars, can remain continuous. It therefore involves the use of numerous connecting parts on the stiffening element cut into sections, which also weakens the assembly, and adds weight and production time.

ÉTAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART

Afin de remédier à ce problème de fond, il est proposé d’utiliser des structures sandwichs comprenant deux peaux de tôle séparées par un matériau ou une structure légère formant le noyau permettant de passer l’effort tranchant selon deux directions perpendiculaires. Dans la pratique, deux types de noyau se sont développés : les structures en nids d’abeille et les structures en mousse de polymère (par exemple à base de polyuréthane, polypropylène ou polyester).In order to solve this fundamental problem, it is proposed to use sandwich structures comprising two sheet metal skins separated by a material or a lightweight structure forming the core allowing the shear force to pass in two perpendicular directions. In practice, two types of core have been developed: honeycomb structures and polymer foam structures (for example based on polyurethane, polypropylene or polyester).

Ce type de structure sandwich est facile à mettre en œuvre sur des géométries simples, en particulier à épaisseur constante. Dès que la géométrie devient plus complexe, avec des variations d’épaisseur comme pour un bord de fuite d’aile, le collage des noyaux aux peaux peut devenir problématique. De plus, ces structures absorbent une grande quantité d’eau et sont difficilement drainables. Il est donc alors nécessaire de garantir l’étanchéité des peaux entourant le noyau.This type of sandwich structure is easy to implement on simple geometries, particularly with constant thickness. As soon as the geometry becomes more complex, with thickness variations such as for a wing trailing edge, bonding the cores to the skins can become problematic. In addition, these structures absorb a large quantity of water and are difficult to drain. It is therefore necessary to guarantee the watertightness of the skins surrounding the core.

Pour remédier aux inconvénients de l’état de la technique exposés ci-dessus, l’invention a pour objectif principal de fournir une architecture permettant une transmission continue des efforts selon deux directions perpendiculaires et capable de s’adapter à des géométries variables en épaisseur.To overcome the drawbacks of the state of the art set out above, the main objective of the invention is to provide an architecture allowing continuous transmission of forces in two perpendicular directions and capable of adapting to variable thickness geometries.

Pour ce faire, l’invention prévoit de former la structure à partir d’éléments raidisseurs identiques s’étendant dans un seul sens, soit dans le sens de la longueur soit dans le sens transversal de l’architecture, formant donc soit des longerons soit des poutres. Ces éléments raidisseurs de base, de section triangulaire, sont accolés entre eux pour être assemblés en couche.To do this, the invention provides for forming the structure from identical stiffening elements extending in a single direction, either in the lengthwise direction or in the transverse direction of the architecture, thus forming either stringers or beams. These basic stiffening elements, of triangular section, are joined together to be assembled in layers.

Plus précisément, la présente invention a pour objet une structure géodésique de panneau d’une architecture de configuration donnée, en particulier d’une porte d’avion, cette structure comportant des éléments raidisseurs présentant une section triangulaire perpendiculairement à l’une des directions, chaque élément raidisseur ayant deux faces latérales articulées sur une arête intérieure s’étendant parallèlement à cette direction, et une face de base opposée à l’arête intérieure. Cette face de base forme des arêtes latérales avec les faces latérales. chaque élément ayant une section triangulaire perpendiculairement à cette direction. Les faces de base des éléments raidisseurs sont assemblées entre elles par leurs arêtes latérales en au moins une couche présentant une continuité de surface de sorte à constituer, en section, une surface géodésique. Au moins une peau est solidarisée sur chaque ensemble de faces assemblées et/ou d’arêtes intérieures d’éléments raidisseurs d’extrémité de l’assemblage formant une continuité de surface de consolidation de la structure. Lorsqu’elle est unique, la peau est une peau intérieure solidarisée sur les arêtes intérieures.More specifically, the present invention relates to a geodesic structure of a panel of a given configuration architecture, in particular of an aircraft door, this structure comprising stiffening elements having a triangular section perpendicular to one of the directions, each stiffening element having two lateral faces articulated on an inner edge extending parallel to this direction, and a base face opposite the inner edge. This base face forms lateral edges with the lateral faces. each element having a triangular section perpendicular to this direction. The base faces of the stiffening elements are assembled together by their lateral edges in at least one layer having a surface continuity so as to constitute, in section, a geodesic surface. At least one skin is secured to each set of assembled faces and/or inner edges of end stiffening elements of the assembly forming a surface continuity for consolidating the structure. When it is unique, the skin is an inner skin joined on the inner edges.

Ainsi, la transmission des efforts emprunte les faces des composants pour s’exercer selon deux directions aptes à porter les efforts tranchants : celle dans laquelle s’étendent les éléments raidisseurs et celle perpendiculaire à cette direction d’extension de ces éléments, comme dans une structure géodésique. De plus, les éléments raidisseurs ont des longueurs et une section triangulaire de dimensions adaptées à la configuration de l’architecture.Thus, the transmission of forces takes place along the faces of the components to be exerted in two directions capable of carrying shear forces: the one in which the stiffening elements extend and the one perpendicular to this direction of extension of these elements, as in a geodesic structure. In addition, the stiffening elements have lengths and a triangular section of dimensions adapted to the configuration of the architecture.

De plus, la structure ainsi réalisée présente une forte résistance en torsion avec les avantages des structures sandwichs sans leurs inconvénients, en particulier sans risque de décollement des peaux.In addition, the structure thus produced has high torsional resistance with the advantages of sandwich structures without their drawbacks, in particular without the risk of the skins detaching.

Selon des modes de réalisation préférés :

  • la couche d’éléments raidisseurs est compacte par agencement d’une configuration tête-bêche d’éléments raidisseurs adjacents ;
  • une tête de renfort (« noddle » en terminologie anglaise) est agencée entre deux arêtes appartenant à deux éléments raidisseurs adjacents ;
  • les éléments raidisseurs sont, pour au moins certains d’entre eux, des tubes vides de matière, ce qui permet de faire circuler des câbles ou tout type de matériel de longueur et de souplesse suffisante pour les traverser ;
  • les éléments raidisseurs sont adaptés en longueur et en découpe à une configuration d’architecture donnée ;
  • les éléments raidisseurs et les peaux sont constitués en un matériau choisi entre un matériau composite, un alliage métallique et un matériau plastique.
According to preferred embodiments:
  • the layer of stiffening elements is compacted by arranging a head-to-tail configuration of adjacent stiffening elements;
  • a reinforcement head (“noddle” in English terminology) is arranged between two edges belonging to two adjacent stiffening elements;
  • the stiffening elements are, for at least some of them, tubes empty of material, which allows the circulation of cables or any type of material of sufficient length and flexibility to pass through them;
  • the stiffening elements are adapted in length and cut to a given architectural configuration;
  • the stiffening elements and the skins are made of a material chosen from a composite material, a metal alloy and a plastic material.

Avantageusement, le matériau composite est constitué de couches de fibres de carbone (ou de verre, d’aramide comme le Kevlar®, ou équivalent) renforcées par une résine époxy, l’alliage métallique est un alliage d’aluminium et le matériau plastique est un thermoplastique de haute performance, en particulier du PEEK (polyétheréthercétone), PEI (polyétherimide), PPS (sulfure de polyphénylène) ou équivalent.Advantageously, the composite material is made up of layers of carbon fibers (or glass, aramid such as Kevlar®, or equivalent) reinforced with an epoxy resin, the metal alloy is an aluminum alloy and the plastic material is a high-performance thermoplastic, in particular PEEK (polyetheretherketone), PEI (polyetherimide), PPS (polyphenylene sulfide) or equivalent.

L’invention se rapporte également à un procédé de réalisation d’une telle structure raidie. Le procédé comporte les étapes suivantes pour la préparation d’une structure en matériau composite :

  • mise en rotation de mandrins de sections triangulaires prédéterminées;
  • drapage de chaque mandrin par enroulement d’une fibre préimprégnés de résine thermodurcissable sur une longueur prédéterminée de chaque mandrin;
  • assemblage des éléments raidisseurs en couche de structure géodésique;
  • cocuisson de l’assemblage avec les peaux d’extrémité accolées aux surfaces d’extrémité dudit assemblage.
  • démoulage des mandrins.
The invention also relates to a method for producing such a stiffened structure. The method comprises the following steps for preparing a composite material structure:
  • rotating mandrels of predetermined triangular sections;
  • draping each mandrel by winding a fiber pre-impregnated with thermosetting resin over a predetermined length of each mandrel;
  • assembly of stiffening elements in geodesic structure layer;
  • co-firing of the assembly with the end skins attached to the end surfaces of said assembly.
  • demolding the mandrels.

Selon des formes de mise en œuvre avantageuses :

  • afin de faciliter leur démontage, les mandrins sont des mandrins dits à clé ayant des portions de parois bloquées par un noyau central, le retrait du noyau central entraînant la désolidarisation des portions de parois et donc le déverrouillage du mandrin ;
  • les mandrins sont en silicone thermo-expansible avec un noyau métallique, ces mandrins se contractant en refroidissant, ce qui facilite la récupération des éléments raidisseurs ;
  • alternativement, les mandrins étant formés d’un sac rempli de microbilles sous vide et agencé autour d’un noyau métallique, l’élimination du vide permet d’évacuer les billes et de libérer ainsi les éléments raidisseurs de leurs mandrins;
  • alternativement les mandrins étant constitués par un noyau métallique moulé dans un matériau soluble dans un solvant dans une plage de températures donnée, après drapage l’ensemble est plongé dans ce solvant à une température de ladite plage, ce qui permet de dissoudre le matériau et de retirer les éléments raidisseurs du noyau;
  • des têtes de renfort sont insérées au niveau des arêtes de deux éléments raidisseurs adjacents lors de l’assemblage des éléments raidisseurs en couche de structure géodésique.
According to advantageous forms of implementation:
  • in order to facilitate their disassembly, the chucks are so-called key chucks having portions of walls blocked by a central core, the removal of the central core causing the separation of the portions of walls and therefore the unlocking of the chuck;
  • the mandrels are made of thermo-expandable silicone with a metal core, these mandrels contracting when cooling, which facilitates the recovery of the stiffening elements;
  • alternatively, the mandrels being formed from a bag filled with microbeads under vacuum and arranged around a metal core, the elimination of the vacuum makes it possible to evacuate the beads and thus release the stiffening elements from their mandrels;
  • alternatively the mandrels being constituted by a metal core molded in a material soluble in a solvent in a given temperature range, after draping the assembly is immersed in this solvent at a temperature of said range, which makes it possible to dissolve the material and to remove the stiffening elements from the core;
  • Reinforcement heads are inserted at the edges of two adjacent stiffening elements when assembling the stiffening elements into a geodesic structure layer.

PRESENTATION DES FIGURESPRESENTATION OF FIGURES

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture qui suit d’un exemple de réalisation détaillé sans en limiter la portée, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the following reading of a detailed exemplary embodiment without limiting its scope, with reference to the appended figures which represent, respectively:

– la , une vue partielle en perspective d’un exemple de structure géodésique élémentaire selon l’invention ;- there , a partial perspective view of an example of an elementary geodesic structure according to the invention;

– la , une vue en coupe d’un exemple de structure géodésique à couche compacte selon l’invention ;- there , a sectional view of an example of a compact layer geodesic structure according to the invention;

– la , une vue en perspective d’un mandrin en rotation sur lequel une fibre de carbone est enroulée en début de drapage dans le procédé de fabrication d’un élément raidisseur selon l’invention ;- there , a perspective view of a rotating mandrel on which a carbon fiber is wound at the start of draping in the method of manufacturing a stiffening element according to the invention;

– la , la et la , des vues en coupe d’exemples de mandrins pouvant être utilisés lors de la mise en œuvre dudit procédé ;- there , there and the , cross-sectional views of examples of mandrels that can be used when implementing said method;

– la et la , une vue schématique de face et en perspective d’une porte d’avion équipée d’une structure géodésique de panneaux d’éléments raidisseurs s’étendant en poutre selon l’invention ;- there and the , a schematic front and perspective view of an aircraft door equipped with a geodesic structure of stiffening element panels extending in a beam according to the invention;

– la , une vue schématique en perspective d’une trappe de train d’atterrissage d’avion équipée d’un panneau de structure géodésique selon l’invention, et- there , a schematic perspective view of an aircraft landing gear door equipped with a geodesic structure panel according to the invention, and

– la , une vue schématique en perspective d’un bord de fuite d’aile d’avion équipé d’un panneau de structure géodésique selon l’invention.- there , a schematic perspective view of an aircraft wing trailing edge equipped with a geodesic structure panel according to the invention.

DESCRIPTION DETAILLEEDETAILED DESCRIPTION

Sur les figures, des signes de référence identiques renvoient à un même élément ainsi qu’aux passages de la description correspondants. « Raidisseur », « élément raidisseur » et « élément » désignent le même objet.In the figures, identical reference signs refer to the same element and to the corresponding passages of the description. “Stiffener”, “stiffening element” and “element” designate the same object.

La illustre une vue partielle en perspective d’un premier exemple de structure géodésique 1 selon l’invention. Cette structure est dite « élémentaire » dans la mesure où elle est constituée d’éléments raidisseurs identiques 10 solidarisés successivement le long des arêtes latérales A1 pour former une couche de raidisseurs C1.There illustrates a partial perspective view of a first example of a geodesic structure 1 according to the invention. This structure is called “elementary” insofar as it is made up of identical stiffening elements 10 successively secured along the lateral edges A1 to form a layer of stiffeners C1.

Chaque élément raidisseur 10 présente une forme géométrique prismatique de section triangulaire S1 qui s’étend parallèlement à une direction D1. Les éléments raidisseurs 10 sont solidarisés le long des arêtes latérales A1 de sorte que les faces de base Fb entre les arêtes latérales A1 forment une surface de base Sb plane selon la direction D2 perpendiculaire à D1, ou globalement faiblement courbée comme dans l’exemple illustré. Pour ce faire, deux faces de base Fb de deux raidisseurs consécutifs forment un angle de faible amplitude, quelques degrés, le long de leur arête latérale commune A1. La courbure ainsi obtenue permet d’adapter globalement la structure à une architecture courbe visée.Each stiffening element 10 has a prismatic geometric shape of triangular section S1 which extends parallel to a direction D1. The stiffening elements 10 are secured along the lateral edges A1 so that the base faces Fb between the lateral edges A1 form a base surface Sb that is flat along the direction D2 perpendicular to D1, or generally slightly curved as in the example illustrated. To do this, two base faces Fb of two consecutive stiffeners form an angle of small amplitude, a few degrees, along their common lateral edge A1. The curvature thus obtained makes it possible to globally adapt the structure to a targeted curved architecture.

Alternativement, la courbure globale de la structure peut également être obtenue à partir de sections triangulaires à base curviligne, les éléments raidisseurs étant formés de faces latérales planes et de faces de base courbes compatibles avec une courbure générale continue.Alternatively, the overall curvature of the structure can also be obtained from triangular sections with a curvilinear base, the stiffening elements being formed from flat side faces and curved base faces compatible with a continuous overall curvature.

Les éléments raidisseurs 10 sont tubulaires (vides de matière) et constitués, dans l’exemple, en matériau composite à base de fibres de carbone et de résine époxy. Une peau de consolidation dite peau intérieure P1 est solidarisée aux arêtes intérieures A2 formées par les faces latérales F1, F2 des raidisseurs 10. La peau intérieure P1 assure la continuité de la structure du côté intérieur de celle-ci tout en fermant les espaces intercalaires entre deux éléments raidisseurs 10.The stiffening elements 10 are tubular (empty of material) and made, in the example, of composite material based on carbon fibers and epoxy resin. A consolidation skin called inner skin P1 is secured to the inner edges A2 formed by the lateral faces F1, F2 of the stiffeners 10. The inner skin P1 ensures the continuity of the structure on the inner side thereof while closing the intermediate spaces between two stiffening elements 10.

Avantageusement, pour des architectures qui nécessitent un renfort supérieur, une deuxième peau P2, dite peau extérieure, est solidarisée aux faces de base Fb ce qui procure une continuité de structure ainsi globalement renforcée.Advantageously, for architectures which require superior reinforcement, a second skin P2, called the outer skin, is secured to the base faces Fb, which provides structural continuity which is thus generally reinforced.

La section triangulaire S1 est un triangle isocèle dans l’exemple illustré afin de répartir les efforts de manière égale sur les deux faces latérales F1, F2 de chaque raidisseur 10. Plus généralement, les éléments raidisseurs peuvent présenter une section formée d’un triangulaire quelconque dans la mesure où ce triangle est compatible avec les contraintes mécaniques de la structure.The triangular section S1 is an isosceles triangle in the example illustrated in order to distribute the forces equally on the two lateral faces F1, F2 of each stiffener 10. More generally, the stiffening elements can have a section formed of any triangle as long as this triangle is compatible with the mechanical constraints of the structure.

Dans ces conditions, les efforts s’évacuent le long des raidisseurs 10, parallèlement à la direction D1, ou parallèlement à la direction D2 en empruntant une structure géodésique formée perpendiculairement à la direction D1.Under these conditions, the forces are evacuated along the stiffeners 10, parallel to the direction D1, or parallel to the direction D2 by using a geodesic structure formed perpendicular to the direction D1.

En référence à la vue en coupe de la , il est représenté une variante de la structure monocouche précédente à partir des mêmes raidisseurs : dans cette structure 2, les raidisseurs 10 sont montés tête-bêche pour constituer une couche compacte C2 d’éléments raidisseurs 10.Referring to the sectional view of the , a variant of the previous single-layer structure is shown using the same stiffeners: in this structure 2, the stiffeners 10 are mounted head to tail to form a compact layer C2 of stiffening elements 10.

De plus, des têtes de renfort 30 sont insérées entre deux arêtes A1, A2 appartenant à deux éléments raidisseurs 10 adjacents. Des têtes de renfort peuvent également être insérées entre deux éléments raidisseurs adjacents de la structure élémentaire 1 décrite en référence à la . La structure 2 est complétée par deux peaux d’extrémité P1, P2 respectivement intérieure et extérieure. Les têtes de renfort sont en matériau de même type que les raidisseurs 10, à savoir en alliage métallique, en particulier d’aluminium, en matériau composite ou en matériau plastique, en particulier en thermoplastique.In addition, reinforcement heads 30 are inserted between two edges A1, A2 belonging to two adjacent stiffening elements 10. Reinforcement heads can also be inserted between two adjacent stiffening elements of the elementary structure 1 described with reference to the . The structure 2 is completed by two end skins P1, P2, respectively inner and outer. The reinforcement heads are made of material of the same type as the stiffeners 10, namely metal alloy, in particular aluminum, composite material or plastic material, in particular thermoplastic.

Afin d’obtenir des structures particulièrement résistantes, Il est possible de réaliser une structure multicouche en empilant des couches compactes C2 d’éléments raidisseurs 10 intercalés entre des peaux de même type que les peaux P1 ou P2 à chaque couche ou sur les surfaces d’extrémité de l’empilement de couches. Afin de rester raisonnable en épaisseur de structure tout en conservant une haute résistance, il peut être avantageux de rechercher un compromis entre la dimension des raidisseurs et le nombre de couches.In order to obtain particularly strong structures, it is possible to produce a multilayer structure by stacking compact layers C2 of stiffening elements 10 intercalated between skins of the same type as the skins P1 or P2 at each layer or on the end surfaces of the stack of layers. In order to remain reasonable in terms of structure thickness while maintaining high strength, it may be advantageous to seek a compromise between the dimension of the stiffeners and the number of layers.

La vue en perspective de la illustre les premières étapes d’un exemple de procédé de réalisation d’un raidisseur de structure selon l’invention. Dans ce procédé, un mandrin 4 est mis en rotation (flèche R1) via un arbre 40 monté sur un moteur d’entraînement (non représenté). Une fibre de carbone 3, préimprégnés de résine époxy et stockée sur un rouleau 8, est enroulée sur le mandrin 4 de forme prismatique à section triangulaire correspondant à la géométrie des éléments raidisseurs.The perspective view of the illustrates the first steps of an example of a method for producing a structural stiffener according to the invention. In this method, a mandrel 4 is rotated (arrow R1) via a shaft 40 mounted on a drive motor (not shown). A carbon fiber 3, pre-impregnated with epoxy resin and stored on a roller 8, is wound onto the mandrel 4 of prismatic shape with triangular section corresponding to the geometry of the stiffening elements.

La fibre de carbone 3 vient alors s’enrouler le long des faces 41, 42, 43 du mandrin 4 pour former les faces d’un élément raidisseur, telles que les faces F1, F2, Fb de l’élément raidisseur 10 (cf. figures 1 ou 2). Le drapage du mandrin 4 se poursuit sur une longueur prédéterminée au-delà de la longueur de raidisseur souhaitée.The carbon fiber 3 then winds along the faces 41, 42, 43 of the mandrel 4 to form the faces of a stiffening element, such as the faces F1, F2, Fb of the stiffening element 10 (see Figures 1 or 2). The draping of the mandrel 4 continues over a predetermined length beyond the desired stiffener length.

De plus, l’angle de la fibre 3 sur le mandrin 4 règle la résistance du raidisseur souhaitée. Cet angle est obtenu en ajustant le rapport entre la vitesse de rotation du mandrin 4 et l’avance de fibre 3.In addition, the angle of the fiber 3 on the mandrel 4 sets the desired stiffener strength. This angle is obtained by adjusting the ratio between the rotation speed of the mandrel 4 and the fiber feed 3.

Une fois la rotation stoppée, l’élément raidisseur est ensuite assemblé aux autres éléments raidisseurs pour constituer une ou plusieurs couches selon la configuration géodésique souhaitée.Once the rotation has stopped, the stiffening element is then assembled with the other stiffening elements to form one or more layers according to the desired geodesic configuration.

Des têtes de renfort 30 sont avantageusement disposées entre les éléments raidisseurs 10 et l’ensemble est agencé sur la peau externe P2 avant de mettre la peau intérieure P1 (ou inversement après la mise en place de la peau intérieure P1), les peaux d’extrémité P1 et P2 étant accolées aux surfaces d’extrémité conformément à la configuration de la .Reinforcing heads 30 are advantageously arranged between the stiffening elements 10 and the assembly is arranged on the external skin P2 before putting the internal skin P1 in place (or conversely after putting the internal skin P1 in place), the end skins P1 and P2 being attached to the end surfaces in accordance with the configuration of the .

Une cocuisson de l’ensemble ainsi agencé est alors opérée dans un autoclave.A co-cooking of the whole assembly thus arranged is then carried out in an autoclave.

Alternativement à l’utilisation d’un préimprégné de résine, il est possible d’utiliser une fibre sèche et de procéder à une imprégnation ultérieure du drapage. Cette imprégnation peut être mise en œuvre selon différentes méthodes connues.As an alternative to using a resin prepreg, it is possible to use a dry fibre and subsequently impregnate the drape. This impregnation can be carried out using various known methods.

Le mandrin 4 ainsi drapé est précuit dans un four (non représenté), puis l’élément raidisseur 10 est démoulé et récupéré pour être découpé à la longueur et à une forme d’extrémité souhaitée pour constituer un panneau selon l’architecture visée (cf. figures 5 à 7).The mandrel 4 thus draped is pre-baked in an oven (not shown), then the stiffening element 10 is demolded and recovered to be cut to the desired length and end shape to form a panel according to the intended architecture (see figures 5 to 7).

Il est également possible d’imprégner la fibre lors de son enroulement sur le mandrin par passage dans un bain de résine.It is also possible to impregnate the fiber while it is being wound onto the mandrel by passing it through a resin bath.

Afin de récupérer l’élément raidisseur 10 (cf. figures 1 ou 2) après la cocuisson du mandrin 4, il est avantageux d’utiliser des mandrins 4a à 4c respectivement conformes aux vues en coupe des figures 4a à 4c.In order to recover the stiffening element 10 (see figures 1 or 2) after co-firing of the mandrel 4, it is advantageous to use mandrels 4a to 4c respectively conforming to the sectional views of figures 4a to 4c.

Le mandrin 4a de la dit à clés est le mandrin illustré en . Il comporte des clés de blocage constituant des portions de paroi 41a, 42b, 42c et 43d formant les faces 41, 42 et 43 et emboitées les unes dans les autres en dehors de la zone de drapage. Chaque portion de paroi 41a et 43d, ainsi que les portions 42b et 42c prises ensemble, s’étendent dans cet exemple symétriquement par rapport au plan de symétrie Ps. Cette symétrie permet de rendre interchangeables les portions 42b et 42c et de ne pas distinguer de côté ou de sens pour le positionnement des portions 42a et 42d.The 4a chuck of the said key is the chuck illustrated in . It comprises locking keys constituting wall portions 41a, 42b, 42c and 43d forming the faces 41, 42 and 43 and nested inside each other outside the draping zone. Each wall portion 41a and 43d, as well as the portions 42b and 42c taken together, extend in this example symmetrically with respect to the plane of symmetry Ps. This symmetry makes it possible to make the portions 42b and 42c interchangeable and not to distinguish sides or directions for the positioning of the portions 42a and 42d.

Un noyau central métallique 4N maintient les portions de paroi 41a, 42b, 42c et 43d bloquées. Le retrait de ce noyau central 4N déverrouile et désolidarise les portions de paroi 41a, 42b, 42c et 43d. Pour faciliter le décollage du matériau composite de l’élément raidisseur 10, les portions de paroi 41a, 42b, 42c et 43d présentent des angles de dépouille inclinés. Ces portions sont alors retirées et l’élément raidisseur 10 récupéré ou démoulé si cet élément est déjà inclus dans le panneau.A central metal core 4N keeps the wall portions 41a, 42b, 42c and 43d locked. Removing this central core 4N unlocks and separates the wall portions 41a, 42b, 42c and 43d. To facilitate the detachment of the composite material from the stiffening element 10, the wall portions 41a, 42b, 42c and 43d have inclined draft angles. These portions are then removed and the stiffening element 10 recovered or demolded if this element is already included in the panel.

Alternativement, les moyens de verrouillage sont constitués par des cliquets entre les parois. Une fois les cliquets déverrouillés, les parois sont sorties, ce qui permet de libérer le raidisseur 10.Alternatively, the locking means are constituted by ratchets between the walls. Once the ratchets are unlocked, the walls are released, which allows the stiffener 10 to be released.

Le mandrin 4b illustré en présente une couche de silicone thermo-expansible 44 agencée autour d’un noyau métallique 45. La couche de silicone se contracte lorsqu’elle est plongée en milieu basse température, ce qui permet de libérer et de récupérer l’élément raidisseur 10.The 4b chuck illustrated in has a layer of thermo-expandable silicone 44 arranged around a metal core 45. The layer of silicone contracts when immersed in a low temperature environment, which allows the stiffening element 10 to be released and recovered.

En référence à la , le mandrin 4c présente, à la place de la couche de silicone 44 du mandrin 4b, un sac 46 agencé autour du noyau métallique 45 et rempli des microbilles 47 sous vide. Une fois le vide éliminé, les microbilles sont évacuées et l’élément raidisseur 10 est libéré de son mandrin 4bIn reference to the , the mandrel 4c has, in place of the silicone layer 44 of the mandrel 4b, a bag 46 arranged around the metal core 45 and filled with the microbeads 47 under vacuum. Once the vacuum has been eliminated, the microbeads are evacuated and the stiffening element 10 is released from its mandrel 4b

Alternativement, le mandrin est un noyau métallique moulé dans un matériau soluble dans un solvant dans une plage de températures, un matériau hydrosoluble dans l’exemple. Après drapage, l’ensemble est plongé dans l’eau à une température ambiante, ce qui permet de dissoudre le matériau et de retirer les éléments raidisseurs du noyau.Alternatively, the mandrel is a metal core cast in a material soluble in a solvent over a range of temperatures, a water-soluble material in this example. After draping, the assembly is immersed in water at room temperature, which dissolves the material and removes the stiffening elements from the core.

Les éléments raidisseurs ainsi assemblés sont destinés à constituer des panneaux de passage d’efforts selon deux directions perpendiculaires pour des architectures données dans lesquelles ces panneaux sont intégrées. Les raidisseurs s’étendent selon des longerons ou des poutres en fonction de l’architecture.The stiffening elements thus assembled are intended to constitute force passage panels in two perpendicular directions for given architectures in which these panels are integrated. The stiffeners extend along side members or beams depending on the architecture.

Par exemple, pour la porte d’avion 5 telle qu’illustrée en vue de face et en perspective selon les figures 5a et 5b, les éléments raidisseurs 10 de structure de raidissement du type référencée 2 (cf. ), sont assemblés en un panneau 50 sous forme de longerons 11 s’étendant selon la direction de fuselage D.For example, for the aircraft door 5 as illustrated in front view and in perspective according to FIGS. 5a and 5b, the stiffening elements 10 of the stiffening structure of the type referenced 2 (cf. ), are assembled into a panel 50 in the form of longerons 11 extending in the fuselage direction D.

La porte 5 étant équipée d’un support central 51 comportant un écran de contrôle et autres équipements (hublot, poignées, commandes, etc.), les longerons 11a, 11b et 11c, 11d sont préalablement découpés pour libérer un espace 5E ( ) qui épouse le contour du support 51. D’autres assemblages de panneaux sont possibles, par exemple deux panneaux accolés selon la médiane MM’. En disposant d’un autoclave de dimensions adaptées, un panneau unique fournit une rigidité d’ensemble supérieure à un assemblage de plusieurs panneaux.Door 5 being equipped with a central support 51 comprising a control screen and other equipment (porthole, handles, controls, etc.), the side members 11a, 11b and 11c, 11d are previously cut out to free up a space 5E ( ) which follows the contour of the support 51. Other panel assemblies are possible, for example two panels joined along the median MM'. By having an autoclave of suitable dimensions, a single panel provides greater overall rigidity than an assembly of several panels.

La trappe de train d’atterrissage 6, vue en perspective selon la , reprend la structure 1 de la selon une configuration de panneau globalement rectangulaire conformément à la configuration de l’architecture trappe. En effet, les contraintes étant d’intensité limitée, la structure 1, intégrant une densité plus faible d’éléments raidisseurs 10, peut être avantageusement utilisée pour ce type d’architecture.Landing gear door 6, perspective view according to the , takes up structure 1 of the according to a generally rectangular panel configuration in accordance with the configuration of the trapdoor architecture. Indeed, the constraints being of limited intensity, the structure 1, integrating a lower density of stiffening elements 10, can be advantageously used for this type of architecture.

Par ailleurs, un bord de fuite d’aile 7 tel que représenté en par une vue en perspective, utilise un assemblage d’éléments raidisseurs 12 de géométrie prismatique à dimension adaptée. En effet, une telle architecture de bord de fuite 7 utilise ici un panneau de structure de raidisseurs selon l’invention de type 1 (cf. ) ou 2 (cf. ), avec des éléments raidisseurs 12 selon l’invention qui diminuent régulièrement en dimensions au fur et à mesure que l’on se dirige vers l’extrémité 7E du bord de fuite 7. De plus, la section triangulaire de ces raidisseurs 12 n’est pas inscrite dans un triangle isocèle mais dans un triangle adapté à la diminution de distance entre les parois 7a, 7b du bord de fuite 7: la section diminuant linéairement en fonction de l’envergure, les sections triangulaires s’en déduisent par homothétie.Furthermore, a wing trailing edge 7 as shown in by a perspective view, uses an assembly of stiffening elements 12 of prismatic geometry with adapted dimensions. Indeed, such a trailing edge architecture 7 here uses a stiffening structure panel according to the invention of type 1 (cf. ) or 2 (cf. ), with stiffening elements 12 according to the invention which regularly decrease in dimensions as one moves towards the end 7E of the trailing edge 7. Furthermore, the triangular section of these stiffeners 12 is not inscribed in an isosceles triangle but in a triangle adapted to the reduction in distance between the walls 7a, 7b of the trailing edge 7: the section decreasing linearly as a function of the span, the triangular sections are deduced by homothety.

L’invention n’est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Ainsi, les mandrins peuvent être en matériau sacrificiel (cire ou équivalent) aisément destructible afin de faciliter la récupération des éléments raidisseurs. Les mandrins à noyau peuvent alternativement être constitués d’une couche de mousse, en particulier une mousse polymère, qui reste chimiquement lié à l’élément raidisseur une fois le noyau séparé ou éliminé afin de renforcer le raidisseur.The invention is not limited to the examples described and shown. Thus, the mandrels may be made of a sacrificial material (wax or equivalent) that is easily destructible in order to facilitate the recovery of the stiffening elements. The core mandrels may alternatively be made of a layer of foam, in particular a polymer foam, which remains chemically bonded to the stiffening element once the core has been separated or removed in order to reinforce the stiffener.

Par ailleurs, la fibre de base peut être une fibre de verre, de lin, d’aramide en particulier de Kevlar®, une fibre en matériau thermoplastique, en particulier en polyéthylène, ou en matériau équivalent.Furthermore, the base fiber may be a glass fiber, linen, aramid fiber, in particular Kevlar®, a fiber made of thermoplastic material, in particular polyethylene, or an equivalent material.

De plus, l’outillage mis en œuvre est de préférence thermo-déformable afin de faciliter la mise en œuvre des étapes de fabrication.In addition, the tooling used is preferably thermo-deformable in order to facilitate the implementation of the manufacturing steps.

L’invention s’applique également aux caissons de voilure ou tout autre type de poutre raidie suivant deux directions.The invention also applies to wing boxes or any other type of beam stiffened in two directions.

Claims (15)

Structure géodésique de transmission des efforts selon deux directions perpendiculaires (D1, D2) dans un panneau d’une architecture de configuration donnée (6, 7), en particulier d’une porte d’avion, caractérisée en ce que cette structure (1, 2) comporte des éléments raidisseurs (10, 11, 12) présentant une section triangulaire perpendiculairement à l’une des directions (D1), chaque élément raidisseur ayant deux faces latérales (F1, F2) articulées sur une arête intérieure (A2) s’étendant parallèlement à cette direction (D1), et une face de base (Fb) opposée à l’arête intérieure (A2) qui forme des arêtes latérales (A1) avec les faces latérales (F1, F2), en ce que les faces de base (Fb) des éléments raidisseurs (10, 11, 12) sont assemblées entre elles par leurs arêtes latérales (A1) en au moins une couche présentant une continuité de surface de sorte que les faces (F1, F2, Fb) constituent, en section, une surface géodésique, et en ce qu’au moins une peau (P1,P2) est solidarisée sur chaque ensemble de faces assemblées (Fb) et/ou d’arêtes intérieures (A2) d’éléments raidisseurs formant une continuité de surface de consolidation de la structure (1, 2), la peau étant une peau intérieure (P1) solidarisée sur les arêtes intérieures (A2) lorsqu’elle est unique.Geodesic structure for transmitting forces in two perpendicular directions (D1, D2) in a panel of a given configuration architecture (6, 7), in particular of an aircraft door, characterized in that this structure (1, 2) comprises stiffening elements (10, 11, 12) having a triangular section perpendicular to one of the directions (D1), each stiffening element having two lateral faces (F1, F2) articulated on an inner edge (A2) extending parallel to this direction (D1), and a base face (Fb) opposite the inner edge (A2) which forms lateral edges (A1) with the lateral faces (F1, F2), in that the base faces (Fb) of the stiffening elements (10, 11, 12) are assembled together by their lateral edges (A1) in at least one layer having a surface continuity such that the faces (F1, F2, Fb) constitute, in section, a geodesic surface, and in that at least one skin (P1, P2) is secured to each set of assembled faces (Fb) and/or internal edges (A2) of stiffening elements forming a continuity of consolidation surface of the structure (1, 2), the skin being an internal skin (P1) secured to the internal edges (A2) when it is unique. Structure géodésique selon la revendication 1, dans laquelle la couche d’éléments raidisseurs (10, 11, 12) est compacte par agencement d’une configuration tête-bêche d’éléments raidisseurs adjacents (10, 11, 12).Geodesic structure according to claim 1, in which the layer of stiffening elements (10, 11, 12) is compact by arranging a head-to-tail configuration of adjacent stiffening elements (10, 11, 12). Structure géodésique selon l’une quelconque de la revendication 1 à la revendication 2, dans laquelle une tête de renfort (30) est agencée au niveau des arêtes (A1 ; A1, A2) appartenant à deux éléments raidisseurs adjacents (10, 11, 12).Geodesic structure according to any one of claims 1 to 2, in which a reinforcing head (30) is arranged at the edges (A1; A1, A2) belonging to two adjacent stiffening elements (10, 11, 12). Structure géodésique selon l’une quelconque de la revendication 1 à la revendication 3, dans laquelle les éléments raidisseurs (10, 11, 12) sont, pour au moins certains d’entre eux, des tubes vides de matière.A geodesic structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the stiffening elements (10, 11, 12) are, for at least some of them, tubes empty of material. Structure géodésique selon l’une quelconque de la revendication 1 à la revendication 4, dans laquelle les éléments raidisseurs (10, 11, 12) sont adaptés en longueur et en découpe à une configuration d’architecture donnée (6, 7, 8).A geodesic structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the stiffening elements (10, 11, 12) are adapted in length and cutting to a given architectural configuration (6, 7, 8). Structure géodésique selon l’une quelconque de la revendication 1 à la revendication 5, dans laquelle les éléments raidisseurs (10, 11, 12) et les peaux (P1, P2) sont constitués en un matériau choisi entre un matériau composite, un alliage métallique et un matériau plastique.A geodesic structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the stiffening elements (10, 11, 12) and the skins (P1, P2) are made of a material chosen from a composite material, a metal alloy and a plastic material. Procédé de réalisation d’une structure géodésique selon l’une quelconque de la revendication 1 à la revendication 6, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
  • mise en rotation de mandrins (4) de sections triangulaires prédéterminées;
  • drapage de chaque mandrin (4) par enroulement d’une fibre (3) préimprégnés de résine thermodurcissable sur une longueur prédéterminée de chaque mandrin (4);
  • assemblage des éléments raidisseurs (10, 11, 12) en couche de structure géodésique (1, 2);
  • cocuisson de l’assemblage avec les peaux d’extrémité (P1, P2) accolées aux surfaces d’extrémité dudit assemblage ;
  • démoulage des mandrins (4).
Method for producing a geodesic structure according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises the following steps:
  • rotating mandrels (4) of predetermined triangular sections;
  • draping each mandrel (4) by winding a fiber (3) pre-impregnated with thermosetting resin over a predetermined length of each mandrel (4);
  • assembly of the stiffening elements (10, 11, 12) in a geodesic structure layer (1, 2);
  • co-firing of the assembly with the end skins (P1, P2) attached to the end surfaces of said assembly;
  • demolding the mandrels (4).
Procédé de réalisation d’une structure géodésique selon la revendication 7, dans lequel les mandrins (4) sont des mandrins dits à clés, chaque mandrin à clé (4a) ayant des portions de paroi (41a, 42b, 42c, 43d) bloquées par un noyau central (4N), le retrait du noyau central entraînant la désolidarisation des portions de paroi (41a, 42b, 42c, 43d) et le déverrouillage du mandrin (4a).Method for producing a geodesic structure according to claim 7, in which the mandrels (4) are so-called key mandrels, each key mandrel (4a) having wall portions (41a, 42b, 42c, 43d) blocked by a central core (4N), the removal of the central core causing the separation of the wall portions (41a, 42b, 42c, 43d) and the unlocking of the mandrel (4a). Procédé de réalisation d’une structure géodésique selon la revendication 7, dans lequel les mandrins (4b) sont en silicone thermo-expansible avec un noyau métallique, ces mandrins (4b) se contractant en refroidissant pour faciliter l’extraction des mandrins (4b).A method of producing a geodesic structure according to claim 7, in which the mandrels (4b) are made of thermo-expandable silicone with a metal core, these mandrels (4b) contracting on cooling to facilitate the extraction of the mandrels (4b). Procédé de réalisation d’une structure géodésique selon la revendication 7, dans lequel les mandrins (4c) sont formés d’un sac rempli de microbilles sous vide et agencé autour d’un noyau métallique, l’élimination du vide évacuant les microbilles et libérant les éléments raidisseurs de leurs mandrins (4c).A method of producing a geodesic structure according to claim 7, in which the mandrels (4c) are formed from a bag filled with microbeads under vacuum and arranged around a metal core, the elimination of the vacuum evacuating the microbeads and releasing the stiffening elements from their mandrels (4c). Procédé de réalisation d’une structure géodésique selon la revendication 7, dans lequel les mandrins étant constitués par un noyau métallique moulé dans un matériau soluble dans un solvant dans une plage de températures donnée, après drapage l’ensemble est plongé dans ce solvant à une température de ladite plage, entraînant la dissolution du matériau et l’extraction des éléments raidisseurs (10, 11, 12) du noyau.Method for producing a geodesic structure according to claim 7, in which the mandrels being constituted by a metal core molded in a material soluble in a solvent in a given temperature range, after draping the assembly is immersed in this solvent at a temperature in said range, causing the dissolution of the material and the extraction of the stiffening elements (10, 11, 12) from the core. Procédé de réalisation d’une structure géodésique selon la revendication 7, dans lequel les mandrins sont formés d’une couche de mousse agencé autour d’un noyau métallique, la couche de maousse restant chimiquement lié à l’élément raidisseur (10, 11, 12).A method of producing a geodesic structure according to claim 7, in which the mandrels are formed from a layer of foam arranged around a metal core, the layer of foam remaining chemically bonded to the stiffening element (10, 11, 12). Procédé de réalisation d’une structure géodésique selon la revendication 7, dans lequel les mandrins sont en matériau sacrificiel.Method of producing a geodesic structure according to claim 7, in which the mandrels are made of sacrificial material. Procédé de réalisation d’une structure géodésique selon la revendication 7 lorsque cette revendication est rattachée à l’une quelconque de la revendication 3 à la revendication 6, dans lequel les têtes de renfort (30) sont insérées au niveau des arêtes (A1 ; A1, A2) de deux éléments raidisseurs adjacents lors de l’assemblage des éléments raidisseurs en couche de structure géodésique (1, 2).Method of producing a geodesic structure according to claim 7 when this claim is attached to any one of claim 3 to claim 6, in which the reinforcing heads (30) are inserted at the edges (A1; A1, A2) of two adjacent stiffening elements during the assembly of the stiffening elements in a geodesic structure layer (1, 2). Procédé de réalisation d’une structure géodésique selon l’une quelconque de la revendication 7 à la revendication 14, dans lequel le procédé met en œuvre un outillage thermo-déformable.Method for producing a geodesic structure according to any one of claims 7 to 14, in which the method uses thermo-deformable tooling.
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