FR3159763A3 - Procédé pour fabriquer une piѐce rigide et cellule d’aéronef réalisée avec ce procédé - Google Patents

Abstract

TITRE : PROCÉDÉ POUR FABRIQUER UNE PIЀCE RIGIDE ET CELLULE D’AÉRONEF RÉALISÉE AVEC CE PROCÉDÉ Le procédé (20) de fabrication d’une pièce rigide (70) comporte :- une étape (26) de fermeture d’un moule (50) dont la paroi interne est recouverte d’une peau (56) en fibres de matériau souple imprégnées avec de la résine (58),- avant le durcissement de la résine, une étape (28) d’introduction d’une mousse expansive dans le moule et une étape (29) d’expansion de la mousse,- une étape (30, 31) de séchage de la mousse,- avant la transition vitreuse complète de la mousse au cours de l’étape de séchage, une étape (31) de cuisson de la pièce à une température de polymérisation de la résine et- après le durcissement de la résine, une étape (34) de démoulage de la pièce rigide (70). (Figure pour l’abrégé : Figure 1)

Description

PROCÉDÉ POUR FABRIQUER UNE PIЀCE RIGIDE ET CELLULE D’AÉRONEF RÉALISÉE AVEC CE PROCÉDÉ Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne une cellule d’aéronef et un procédé pour fabriquer une pièce rigide. Elle s’applique, en particulier, au domaine des drones et de la fabrication de pièces extrêmement légères et rigides, par exemple des cellules de drones.

État de la technique

La fabrication de pièces rigides a évolué depuis les pièces en matériau plein, par exemple en bois ou en métal, vers des pièces creuses et, enfin, vers des pièces en matériau composite.

Les matériaux composites tirent leurs propriétés de l’association d’un renfort et d’une résine. Si l’on peut considérer que ce second ingrédient a bien des propriétés égales en toutes directions, alors que ce n’est pas le cas des renforts qui sont, pour la plupart, plans. Leurs propriétés sont liées aux orientations des fils ou fibres qui les composent. Un des avantages des matériaux composites est ainsi de pouvoir profiter de ces orientations pour concevoir la pièce en conséquence. Ce peut être un avantage, mais aussi un inconvénient, les propriétés « en épaisseur » pouvant difficilement être importantes. La conception des structures doit donc, idéalement, tenir compte de cette anisotropie, en adaptant les drapages des renforts ainsi que leur nombre à la charge ou au déplacement maximal souhaité.

On peut, par exemple, renforcer des parties chargées dans une direction par un ou plusieurs plis de renforts unidirectionnels sans ajouter de masse inutile en prenant un tissu équilibré, dans lequel les fibres à 90° de la sollicitation principale n’auraient pas été du tout sollicitées.

On expose ci-dessous, très succinctement, des matériaux les plus courants aux regards de leur performance en termes de densité, résistance en traction et module en traction. Les compostions de matériaux peuvent offrir les avantages cumulés d’une faible masse, d’une grande résistance et d’une grande rigidité. Pour la confection de composites et sandwich utilisés de diverses façons, on peut citer, sans être exhaustif, par ordre croissant de performance et donc de coût :

Les Fibres : Verre, Aramide®, Carbone (Haute Ténacité, Module Intermédiaire),

Les liants (Résines) : Famille Polyester, Epoxy de cuissons et de Température ambiantes à (Bas Tg), Epoxy cuisson Haute température (Haut Tg), …

Les Ames : Mousses (PS, PVC, PET, Acrylique, PU, Phénolique), Nid d’abeille Thermoplastiques : (Polypropylène …), Balsa, Nid d’abeilles Nomex® (Aramide/résine phénolique), Nid d’abeille Aluminium,

On distingue les matériaux composites monolithiques des matériaux sandwich.

Les premiers sont simplement constitués de fibres (verre, carbone, par exemple) et de résine (Thermo-dure, par exemple Epoxy, ou Thermoplastique, par exemple Polyester), alors que les seconds se caractérisent par deux peaux réalisées en matériau composite composées également de fibres et de résine, et d’une âme (balsa, mousse, nid d’abeille) dont l’épaisseur a plusieurs ordres de grandeurs plus ou moins importantes que les peaux. Cette épaisseur n’engendre que peu de masse supplémentaire, mais apporte des propriétés hors plan tangent à la peau, considérables.

Synthétiquement, l’avantage du sandwich sur le composite monolithique est un gain de masse sur des pièces qui travaillent essentiellement hors de ce plan. Par exemple, une poutre sandwich horizontale encastrée soumise à un effort vertical du haut vers le bas à son extrémité voit sa peau supérieure travailler en traction (sollicitant principalement la fibre de ces plis) alors que sa peau inférieure travaille en compression (sollicitant majoritairement la résine de ces plis). La même poutre monolithique de même masse totale a un comportement bien plus médiocre. L’épaisseur est un paramètre important et on met ici en évidence l’inutilité relative de la « fibre neutre » (celle du centre des plis monolithique) dans cette sollicitation. On montre ainsi, par exemple, qu’un tube monolithique d’épaisseur de cinq mm, tient certainement les charges et déplacements demandés par son utilisateur, mais qu’un tube de même épaisseur en sandwich aura le même comportement mais une masse bien inférieure.

On note que les fibres de carbone présentent un coefficient de dilatation faible, voire nul. Les matériaux de base sont des fils, eux-mêmes constitués de filaments. Ces fils sont ensuite mis en œuvre pour former les renforts. Ceux-ci se classent en plusieurs catégories, les plus courantes étant les tissus, les tresses, les multiaxiaux.

Les tissus sont faits sur métier à tisser, et on peut les reconnaitre à ce qu’ils ont une chaine et une trame, soit deux directions de fils. Ces tissus se différencient par
- leur masse au m²,
- leur armure, c'est-à-dire la façon dont ces fils sont entrecroisés, et
- le type de fil utilisé.

Ces trois facteurs influencent les caractéristiques mécaniques du composite final, mais aussi la façon dont ceux-ci vont se comporter, c'est-à-dire leur facilité à être manipulés, placés en différentes formes (appelé « drapabilité »).

Les pièces réalisées en sandwich selon des procédés connus dans l’art antérieur présentent, néanmoins, un ratio rigidité sur poids qui n’est pas optimal.

Par ailleurs, les drones sont des engins sans équipage dont le pilotage est automatique ou télécommandé, qu'ils soient volants, terrestres ou encore amphibies, à usage civil ou à celui des forces armées ou de sécurité d'un État. En fonction des capacités recherchées, leur masse varie de quelques grammes à plusieurs tonnes. Leur autonomie peut atteindre jusqu’à plusieurs dizaines d'heures (à comparer aux deux heures typiques d'autonomie d'un chasseur). Dans le domaine aéronautique, le terme « drone » désigne un aérodyne automatisé et le système associé de mise en œuvre sont aussi appelés UAV (pour « unmanned aerial vehicle », soit « véhicule aérien sans humain à bord ») et de plus en plus souvent UAS (pour « unmanned aircraft system », soit « système d'aéronef sans humain à bord »). Parmi ces drones, une famille est constituée des multicoptères, (aussi appelés tricoptères, quadricoptères, hexacoptères ou octocoptères, etc, selon le nombre d'hélices). Les multicoptères possèdent une cellule comportant des bras, qui relient le corps central du drone à des moteurs périphériques munis d’hélices.

Cette cellule doit être aussi légère que possible pour maximiser l’autonomie du drone et sa manœuvrabilité. En conséquence, les structures monocoques traditionnelles sont constituées de peaux rigides maintenues avec des cadres dont l'intérieur est creux.

Ces drones comportent des capteurs, notamment de géolocalisation et, souvent, au moins une caméra dont l’image, transmise au pilote à distance, permet au pilote de commander les fonctions du drone, dont sa configuration, son orientation et la puissance développée par ses moteurs.

Cependant, la déformation des pièces de ce drone, notamment des bras portant les moteurs et les hélices, conduit à un retard d’interprétation de la position physique en signal électrique des contrôleurs de vols par rapport à la cellule. Schématiquement, le « cerveau » du multicoptère doit recevoir, en temps réel, les informations de position des bras portant les moteurs. Si la cellule se déforme, ces informations sont mal interprétées : il y a alors de la distorsion d’information entre le contrôleur de vol et la cellule. Cette distorsion est néfaste pour le pilotage et peut conduire à la chute du multicoptère, car les contrôleurs de vol ne savent plus interpréter une situation, aérienne ou au sol.

L’invention vise à réduire cette distorsion d’information entre le contrôleur de vol et la cellule de l’aéronef. Elle vise aussi à rendre la cellule du drone isotropique et à réduire sa capacité à se déformer sous l’action des contraintes.

L’inventeur a mesuré la réduction de la vibration résultant de la mise en œuvre de l’invention, en comparaison avec la réaction d’un contrôleur de vol dans une cellule structurelle creuse. Il a ainsi pu mesurer des écarts de vibration de l’ordre de 80 %, comme exposé plus bas.

Les objectifs techniques de l’invention comportent que la cellule du drone soit plus rigide et se déforme moins, afin d’améliorer le comportement des machines en vol :
- gain direct de la résistance aux vents en vol,
- le procédé de fabrication permet une réduction de la vibration en comparaison avec une structure monocoque traditionnelle, et
- supprimer les cadres, affiner la peau, sans rajouter de soudure mécanique.

De plus, le matériau d’âme est préférentiellement anti feu, auto extinguible, afin qu’un feu de batterie ne soit pas une source de crash (on rappelle que les batteries à base de lithium sont assez instables et sensibles à la température). Des modes de réalisation de l’invention permettent d’isoler de la chaleur les batteries grâce à un matériau d’âme emprisonnant l’oxygène.

L’invention vise aussi à augmenter la réparabilité des cellules et à permettre à la cellule d’intégrer un maximum de fonctions, comme des fonctions structurelles, cumulées à des fonctions de blindage électromagnétique, par exemple, et/ou des fonctions de circulation d’énergie en creusant des tranchées dans le moule servant à fabriquer cette cellule.

Préférentiellement, on évite toute arrête franche et on applique des congés, par exemple d’un rayon de 7 mm minimum, pour éviter de coudre deux surfaces perpendiculaires entre elles.

Préférentiellement, au moins un moule intègre la totalité des fonctionnalités telles que les passages de câbles ou des inserts de fixation.

Objets de l’invention

Selon un premier aspect, la présente invention vise un procédé de fabrication d’une pièce rigide, qui comporte :
- une étape de fermeture d’un moule dont la paroi intérieure est recouverte d’une peau en fibres de matériau souple imprégnées avec de la résine,
- avant le durcissement de la résine, une étape d’introduction d’une mousse expansive dans le moule et une étape d’expansion de la mousse,
- une étape de séchage de la mousse,
- avant la transition vitreuse complète de la mousse au cours de l’étape de séchage, une étape de cuisson de la pièce à une température de polymérisation de la résine et
- après le durcissement de la résine, une étape de démoulage de la pièce rigide.

L’étape de séchage de la mousse et l’étape de cuisson de la résine sont ainsi partiellement simultanées. Elles réalisent ainsi conjointement une seule phase de durcissement conjoint de matériaux souples (la mousse et la résine imprégnant la peau) de natures différentes en contact entre eux. Grâce à ces dispositions, ni la résine, ni la mousse n’atteint sa transition vitreuse avant que l’autre de ces constituants n’ait entamé son durcissement, respectivement par polymérisation et par séchage. La cohésion mécanique de ces deux constituants est ainsi optimisée. La résine et la peau en fibres de matériau souple adhèrent extrêmement fortement à la mousse. La pièce moulée ainsi fabriquée présente une rigidité très élevée, même avec une épaisseur de peau très faible. De plus, cette pièce moulée est particulièrement légère, grâce à la faible épaisseur de la peau. Le ratio rigidité/poids est ainsi très élevé. Enfin, la pièce moulée présente une forte réparabilité puisqu’elle peut être coupée autour d’une cassure et une soudure sur la partie principale de la pièce peut être réalisée avec une pièce de même consistance correspondant aux parties cassée ou coupée.

Par ailleurs, l’inventeur a observé qu’une pièce ainsi fabriquée présente de bonnes capacités d’absorption de vibrations dans la plage de fréquences générées par la rotation des moteurs d’un multicoptère. Une cellule de multicoptère réalisée selon le procédé objet de l’invention permet ainsi de réaliser un drone qui présente un meilleur comportement en vol ou au sol.

Dans des modes de réalisation, la peau présente une épaisseur inférieure ou égale à 0,4 mm et est en fibres de carbone.

L’inventeur a déterminé que, grâce à la mise en œuvre de la présente invention, des pièces présentant une rigidité suffisante, par exemple pour constituer une cellule d’aéronef ou de drone, pouvaient avoir une peau en fibres de carbone d’une telle épaisseur. Cette très faible épaisseur permet un gain en poids de la pièce ainsi fabriquée.

Dans des modes de réalisation, la résine est une résine époxy lente présentant une durée de travail supérieure ou égale à 24 heures. Grâce à ces dispositions la résine ne peut pas atteindre sa transition vitreuse avant que la mousse ait complètement séché. L’adhérence entre la mousse et la résine étant ainsi maximisée lorsque la résine a polymérisé.

Dans des modes de réalisation, la mousse est une mousse époxy avec ajout de billes en polystyrène expansé.

Ces billes, de diamètre préférentiellement inférieur ou égal à 10 mm et, encore plus préférentiellement, inférieur ou égal à 6 mm, augmentent l’absorption de vibrations par la pièce fabriquée par la mise en œuvre de l’invention.

Dans des modes de réalisation, au cours de l’étape de pose d’une peau en fibres de matériau souple sur la surface de plusieurs parties d’un moule, on fait dépasser la peau d’une partie de moule et, au cours de l’étape de fermeture du moule, on superpose le dépassement de la peau au-delà d’une partie de moule avec la peau posée sur une autre partie de moule. Cette superposition assure la soudure des deux peaux lors de la polymérisation de la résine.

Dans des modes de réalisation, le procédé objet de l’invention comporte, de plus, une étape de pose, dans une partie de moule, d’au moins un mandrin entouré d’une peau en fibres de matériau souple recouverte de résine.

De tels mandrins correspondent, après leur retrait de la pièce démoulée, de créer des réservations de passages de fils ou de câbles à travers la pièce.

Dans des modes de réalisation, au moins un mandrin est en matériau présentant un fort coefficient de dilatation thermique, le procédé comportant, de plus, après l’étape de cuisson, une étape de refroidissement du moule comportant la pièce moulée à une température inférieure à 0°C et une étape de retrait d’au moins un mandrin à cette température.

En choisissant un matériau présentant un fort coefficient de dilation thermique, le retrait des mandrins est obtenu par la baisse de la température qui provoque leur rétractation, alors que la pièce démoulée, et notamment sa mousse, ne se déforme pas avec la baisse de la température.

Dans des modes de réalisation, au moins un mandrin est en polyoxyméthylène (ou polyformaldéhyde ou polyacétal). Ce matériau présente un fort coefficient de dilatation thermique.

Selon un deuxième aspect, la présente invention vise une pièce moulée obtenue par la mise en œuvre du procédé objet de l’invention. En particulier, la présente invention vise une cellule de véhicule, et plus particulièrement d’aéronef, obtenue par la mise en œuvre du procédé objet de l’invention.

Les avantages, buts et caractéristiques particulières de cette pièce, de cette cellule de véhicule et de cette cellule d’aéronef étant similaires à ceux du procédé objet de l’invention, ils ne sont pas rappelés ici.

Brève description des figures

D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif en regard des dessins annexés, dans lesquels :

FIG. 1représente, sous forme d’un logigramme, des étapes d’un mode de réalisation particulier du procédé objet de l’invention,

FIG. 2représente, sous forme de chronogramme, les durées de séchage d’une mousse et de polymérisation d’une résine, dans le procédé illustré enFIG. 1,

FIG. 3représente, en vue de dessus schématique, une partie de moule vide correspondant à une demi-cellule de quadricoptère,

FIG. 4représente, selon une vue selon une coupe A-A repérée enFIG. 3, la partie de moule vide illustrée enFIG. 3,

FIG. 5représente, la partie de moule illustrée enFIG. 4après la pose d’une peau,

FIG. 6représente, la partie de moule illustrée enFIG. 5après imprégnation de la peau avec de la résine,

FIG. 7représente, la partie de moule illustrée enFIG. 6après le positionnement d’un mandrin lui-même entouré d’une peau imprégnée de résine,

FIG. 8représente, en vue de dessus schématique, la partie de moule illustrée enFIG. 3et le positionnement de mandrins,

FIG. 9représente, selon la vue en coupe repérée enFIG. 3, le moule refermé,

FIG. 10représente le moule illustré enFIG. 9après introduction de la mousse expansive dans le moule,

FIG. 11représente le moule illustré en figures 9 et 10, après l’expansion de la mousse,

FIG. 12représente, le moule illustré enFIG. 11, après séchage de la mousse et cuisson de la résine,

FIG. 13représente la pièce démoulée, après extraction du mandrin, et

FIG. 14représente, en vue de dessus schématique, la cellule fabriquée après retrait des mandrins.

Description des modes de réalisation préférentiels de l’invention

On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l’échelle.

On observe, enFIG. 1, un procédé 20 de fabrication d’une pièce mécanique, par exemple une cellule de véhicule, notamment d’aéronef et, plus particulièrement, de drone ou de multicoptère.

Au cours d’une étape 21, on constitue plusieurs parties de moule dont la paroi intérieure correspond à la forme extérieure de la pièce à fabriquer. Ces parties de moule sont, par exemple, en métal ou en matériau composite.

Au cours d’une étape 22, on applique un film démoulant sur la surface interne de chaque partie de moule. Préférentiellement, le démoulant est de type cire en dix couches avec polissage après chaque couche, qui facilite le glissement de la peau.

Au cours d’une étape 23, on pose une peau en fibres de matériau souple sur la surface intérieure des parties d’un moule. Pour assurer, dans les étapes suivantes, un recouvrement et une soudure des peaux présentes sur les différentes parties du moule, on fait dépasser cette peau au-delà de la paroi interne d’au moins une partie de moule (voirFIG. 6). Par exemple, cette peau est en fibres de carbone ou en fibres de verre. Selon les variantes, cette peau est pré-imprégnée avec de la résine durcissable à chaud ou reste à imprégner. Préférentiellement, la peau est en fibres de carbone et présente une épaisseur inférieure ou égale à 0,4 mm et, encore plus préférentiellement, inférieure ou égale à 0,3 mm. Par exemple, la peau est en carbone (en accord avec la résistance souhaitée), avec un poids de 600 g/m² pour fabriquer une cellule d’un drone ayant une masse totale en vol de 25 kg. En variante, la peau est en fibres de verre.

Au cas où la peau n’est pas pré-imprégnée, au cours d’une étape 24, on imprègne la peau avec de la résine mélangée à un agent polymérisant, leur système constituant un composé durcissable à chaud, dans chaque partie de moule. Par exemple, on pose une couche d’un système de résine époxy lente type « 24 Heures », c’est-à-dire avec une durée de travail supérieure ou égale à 24 heures. Par exemple, il s’agit d’une résine époxy de coulée, avec transition vitreuse lente.

Au cours d’une étape 25, qui peut être simultanée avec l’étape 23, on positionne des mandrins, eux-mêmes habillés d’une peau imprégnée de résine, dans les zones de parties de moule correspondant à des réservations, ou congés, dans la pièce à mouler. Les mandrins sont des pièces cylindriques solides, par exemple à directrice circulaire, que l’on positionne selon les axes des bras de la cellule en cours de fabrication. Préférentiellement, les mandrins possèdent un fort coefficient de dilatation thermique. Par exemple, les mandrins sont en POM (Polyoxyméthylène), un thermoplastique semi-cristallin de la famille du polytétrafluoroéthylène ou « PTFE ». L’insertion des mandrins dans le moule se fait à froid : ces mandrins sont portés à une température de – 20 °C, ce qui, du fait de leur fort coefficient de dilatation thermique, réduit leurs diamètres. Puis, du fait de leur réchauffement dans l’air ambiant à 20 °C, leur dilatation les bloque en position.

Au cours d’une étape 26, on ferme le moule en assemblant les parties de moule, tout en laissant ouvertes des voies d’évacuation de surplus de mousse. Au cours de cette étape, les dépassements de peau d’une partie de moule viennent à l’intérieur de la peau de l’autre partie de moule qui lui est assemblée (voirFIG. 9).

Au cours d’une étape 27, qui peut être effectuée simultanément avec au moins une des étapes 22 à 25, on prépare une mousse expansive. Préférentiellement, on réduit leur masse volumique en ajoutant des adjuvants. Ces adjuvants favorisent aussi une réduction de la propagation des vibrations tout en étant compatibles avec le matériau d’âme. Par exemple, cette préparation se fait avec de la mousse époxy avec ajout de 5 % de la masse en billes en polystyrène expansé et mélange d’un agent polymérisant de la mousse époxy. Ces billes possèdent un diamètre préférentiellement inférieur ou égal à 10 mm et, encore plus préférentiellement, inférieur ou égal à 6 mm.

Par exemple, les systèmes 2080 M17(R) et 2080 M25(R) ont des coefficients d’expansion libre de 6.6 et 4.5, permettant d’obtenir des densités finales de 170 et 250 kg/m3. Le moussage lent de ces systèmes permet un mélange sans machine. Un moule en matériau composite est suffisant car la poussée est faible et lente, un évent étant prévu dans le moule en partie supérieure afin de laisser sortir l’air et l’excédent de mousse.

Ces résines époxy moussantes rassemblent de nombreux avantages :
- les coulées peuvent être démoulées et utilisées sans post-cuisson selon les applications,
- elles présentent une très bonne compatibilité sur matériaux préimprégnés et résines époxy en cours de réticulation,
- elles présentent une excellente résistance à l’eau,
- elles présentent d’excellentes résistances thermiques et mécaniques, et
- elles présentent une excellente homogénéité de la densité.

Au cours d’une étape 28, avant l’étape de durcissement de la résine, on introduit la mousse expansive dans le moule, par gravité ou avec un injecteur.

Au cours d’une étape 29, la mousse expansive commence son expansion. Dans l’exemple donné ci-dessus, on laisse l’expansion se faire pendant 20 minutes, puis on referme les évents tout en maintenant des sillons (saignées le long du moule) d’évacuation des surplus.

Au cours d’une étape 30, la mousse expansive finit son expansion, avec un éventuel fluage vers l’extérieur du moule par l’intermédiaire des voies d’évacuation laissées ouvertes dans le moule, et commence son séchage. Dans l’exemple donné ci-dessus, on laisse la mousse sécher pendant 24 heures à 22 °C.

Au cours d’une étape 31, avant la transition vitreuse complète de la mousse au cours de l’étape de séchage, on réalise une cuisson de la pièce en cours de fabrication à une température de polymérisation de la résine. Dans l’exemple donné ci-dessus, on entame la cuisson des peaux lorsque l'on rentre dans la phase des 60 à 85 °C de la phase de séchage de la mousse. La cuisson est prolongée avec une croissance de la température à raison de 0,1 °C/mn, à partir de 80 °C, jusqu'à atteindre 100 °C. Lorsque cette valeur est atteinte, la cuisson se poursuit à 100 °C pendant 24 heures. On rappelle ici que la transition vitreuse, rend les résines lisses d’aspect, ce qui provoque pratiquement une incompatibilité de collage. Il résulterait de cette transition un détachement du matériau d’âme de la peau.

Lorsque la résine époxy est mélangée avec le durcisseur, le processus de durcissement débute instantanément. Le groupe époxy déclenche une réaction de polymérisation entre la résine et le durcisseur, créant des réticulations et les composés mélangés durcissent.

Par exemple, pour le système de carbone imprégné de résine époxy VTC 401®, la post-cuisson se fait à 100 °C pour ne pas endommager la mousse lors de cette même cuisson. VTC401 est un système de résine époxy conçu pour donner un durcissement initial à basse température ou un durcissement instantané à haute température avec une rigidité accrue, et une température de service plus élevée, offrant une plus grande flexibilité dans la fabrication des composants. Il peut être fourni sur une variété de tissus en format UD (unidirectionnel).

Principales caractéristiques et avantages
- Température de durcissement de 65 °C à 120 °C,
- Température de service jusqu’à 135 °C après la polymérisation,
- Faible CET (Coefficient d’élasticité ou de dilatation thermique)
- Durée de conservation à 20 °C : 21 jours
- Durée de conservation à -18 °C : 12 mois
- Très faible teneur en COV (composés organiques volatils)
- Cycle de durcissement de 45 mn (à 120 °C) à 16 heures (65 °C) avec une durée de post-cuisson.

Les matériaux préimprégnés ont besoin d’une cuisson afin de polymériser, ce qui n’est pas le cas des mousses époxy. Ces mousses se cuisent après un séchage ambiant pendant 24 heures. Selon l’invention, les deux matériaux durcissent ensemble dans la même phase, afin que la peau et l’âme soient soudées d’une seule traite. Ce procédé permet aussi d'éviter des phases de ponçage intermédiaire qui seraient nocives à la peau structurelle.

Les matériaux préimprégnés font l’objet d’un compactage lors de leur pose dans le moule, alors que les mousses doivent pouvoir s’expanser pendant une durée donnée.

Grâce à la mise en œuvre de l’invention, la mousse époxy (matériau d’âme) est rendue compatible avec la peau pré-imprégnée, pendant leur cuisson. L’étape de cuisson permet une polymérisation lente du matériau d’âme, mais suffisamment élevées en température pour activer les résines pré-accélérées des préimprégnés.

Au cours d’une étape 32, on refroidit la pièce moulée à une température inférieure à 0 °C. Du fait du fort coefficient de dilatation du matériau des mandrins, ceux-ci se rétractent et se décollent de la peau qui les entoure et qui est retenue par la mousse séchée. Par exemple, on passe le moule, pendant deux heures en congélation à -20 °C.

Au cours d’une étape 33, on procède au retrait des mandrins par traction axiale.

Au cours d’une étape 34, on procède au démoulage de la pièce fabriquée, par retrait des parties de moule, à température ambiante stabilisée.

On observe, enFIG. 2, sur le chronogramme 40, la durée 41 de séchage de la mousse et la durée 44 de polymérisation de la résine. La durée de séchage 41 s’étend depuis l’instant 42, qui correspond au début de l’étape 27, jusqu’à l’instant 43, qui se situe pendant l’étape de cuisson 31. La durée de polymérisation 44 s’étend depuis l’instant 45, qui se situe au cours de l’étape 31, lorsque la température de cuisson a atteint une valeur prédéterminée de déclenchement de la polymérisation de la résine, jusqu’à un instant 46, toujours au cours de l’étape de cuisson 31.

Du fait que l’instant 43 se situe après l’instant 45, la mousse n’a pas encore atteint sa transition vitreuse. Ainsi, ni la résine, ni la mousse n’atteint sa transition vitreuse avant que l’autre de ces constituants n’ait entamé son durcissement, respectivement par polymérisation et par séchage. La cohésion mécanique de ces deux constituants, une fois durcis, est ainsi optimisée. La résine et la peau en fibres de matériau souple adhèrent extrêmement fortement à la mousse. La pièce moulée ainsi fabriquée présente une rigidité très élevée, même avec une épaisseur de peau très faible.

On observe, enFIG. 3, une partie 50 d’un moule comportant deux parties identiques 50 et 50’ (voirFIG. 9) destinées à se refermer l’une sur l’autre pour former un moule complet. Bien entendu, selon la forme extérieure de la pièce à fabriquer, les parties de moule peuvent être différentes et, notamment, n’être symétriques ni par rapport à un plan horizontal (le plan de laFIG. 3), ni par rapport à un plan vertical (qui passe par l’axe de symétrie 53, enFIG. 3). Les parties de moule sont, par exemple, en métal ou en matériau composite.

Cette partie 50 de moule présente un évidement, ou cavité, interne 51, dont la paroi correspond à la forme extérieure de la partie correspondante de la pièce à fabriquer et une épaisseur 55. Dans le cas de la cellule de quadricoptère à fabriquer servant d’exemple, l’évidement interne 51 correspond au corps du quadricoptère, au centre, et présente des extensions 52 correspondant aux quatre bras du quadricoptère portant les moteurs électriques mettant les hélices en rotation. Ces extensions 52 présentent un axe 54. Sur cet axe 54, un évidement cylindrique 59 sert de support de mandrin.

Une coupe A-A, perpendiculaire à l’axe 54 d’une des extensions 52 est repérée enFIG. 3. LaFIG. 4représente cette coupe A-A. On y retrouve les éléments illustrés enFIG. 3. LaFIG. 5représente cette coupe A-A après l’étape 23, dans le cas où la peau n’est pas pré-imprégnée avec de la résine. Une peau 56 en fibres de matériau souple a été appliquée sur la paroi interne de la partie de moule 50. De plus, cette peau 56 présente des dépassements 57 au-delà de la paroi interne de la partie de moule 50. Comme illustré enFIG. 5, ces dépassements sont préférentiellement inclinés vers la paroi interne de la partie de moule 50. Cette inclinaison évite que, lors de la fermeture du moule (étape 26 etFIG. 9), ces dépassements entrent en contact avec la peau posée sur la partie de moule 50’ et risquent de replier l’une des peaux.

LaFIG. 6représente la coupe A-A après l’étape 23, dans le cas où la peau 56 est pré-imprégnée avec de la résine 58 ou après l’étape 24, lorsque de la peau 56 a été imprégnée de résine 58.

LaFIG. 7représente la coupe A-A après l’étape 25, lorsqu’un mandrin 60 a été positionné dans le support 59, ce mandrin 60 étant, lui aussi, entouré d’une peau 61 imprégnée de résine 62.

LaFIG. 8représente le positionnement d’un mandrin 60 dans chacune des extensions 52, le long d’un axe 54. Éventuellement, une réservation centrale est réalisée par l’ajout d’une pièce centrale 64, elle-même entourée d’une peau imprégnée de résine. Par exemple, cette réservation servira au positionnement d’une batterie et d’un module électronique dans la cellule de quadricoptère en cours de fabrication. Préférentiellement, la peau de cette pièce centrale 64 possède, elle aussi, des dépassements recouvrant la peau appliquée sur la paroi interne du moule 50. On observe, enFIG. 8, que les mandrins 60 viennent préférentiellement en contact de cette pièce centrale 64 afin que des câbles électriques puissent relier des moteurs placés aux extrémités distales des extensions 52 au module électronique qui prendra la place de la pièce centrale 64 dans la cellule du quadricoptère.

LaFIG. 9représente la coupe A-A après l’étape 26, lorsque le moule a été refermé. La partie de moule 50’ présente une épaisseur 55’ et porte, sur sa paroi interne, une peau 56’ imprégnée de résine 58’. Comme exposé précédemment, les dépassements 57 de la peau 56 s’étendent à l’intérieur du volume convexe défini par la peau 56’.

LaFIG. 10représente la coupe A-A après l’étape 28, lorsque la mousse expansive 63 a été introduite dans le moule.

LaFIG. 11représente la coupe A-A après l’étape 29, lorsque la mousse expansive 63 s’est expansée jusqu’à exercer une pression d’abord sur les dépassements 57 de la peau 56 jusqu’à la plaquer contre la peau 56’, puis dans tout le volume interne du moule, le surplus de mousse expansée étant évacué par les évacuations prévues dans le moule.

LaFIG. 12représente la coupe A-A après l’étape 33, c’est-à-dire la pièce fabriquée 70, après séchage complet de la mousse, polymérisation de la résine pour former une peau rigide 72, refroidissement de la pièce en dessous de 0 °C et retrait du mandrin 60 laissant place à une réservation, ou congé, 71 et retrait de la pièce centrale 64 laissant place à une autre réservation 73. La cellule 70 de quadricoptère peut alors recevoir des moteurs aux emplacements 74 en extrémités des extensions 52, et un module électronique accompagné d’une batterie électrique dans la réservation 73, des câbles électriques reliant le module électronique aux moteurs.

L’inventeur a comparé les amplitudes moyennes de vibrations obtenues au niveau du contrôleur de vol directement en lien avec trois cellules identiques fabriquées selon trois procédés de fabrication, dont le procédé objet de l’invention, pendant des vols stationnaires de trente secondes. Avec une cellule fabriquée en peau de kevlar® uniforme présentant une épaisseur moyenne de deux millimètres, les vibrations présentent une amplitude moyenne environ dix fois plus élevée qu’avec une cellule fabriquée selon le procédé illustré enFIG. 1. Avec une cellule fabriquée en composite sandwich mousse-carbone-aramide, avec une épaisseur de carbone de de 1,2 millimètres, les vibrations présentent une amplitude moyenne deux fois plus élevée qu’avec une cellule fabriquée selon le procédé illustré enFIG. 1.

Le type de cellule obtenu par la mise en œuvre de l’invention présente plusieurs avantages :
- l’amortissement des vibrations provenant des moteurs sur les capteurs embarqués (notamment caméra),
- le ratio rigidité/poids de la cellule,
- la réparabilité (comparée à celle d’une cellule en matières plastiques) : une simple colle sur la mousse et pose d’une peau superposée à l’ancienne peau suffit,
- une seule phase de mariage (polymérisation) de matériaux souples de natures différentes.

Les objectifs techniques du procédé objet de l’invention comportent aussi :
- que la cellule du drone soit plus rigide, se déforme moins afin d’améliorer le comportement des machines en vol : (gain direct de la résistance aux vents en vol ),
- le matériau d’âme est anti feu, auto extinguible, afin qu’un feu de batterie ne soit pas source de crash. Les batteries lithium étant assez instables et sensibles à la température, cette caractéristique permet d’isoler de la chaleur les batteries grâce au matériau d’âme emprisonnant l’oxygène,
- Augmenter la réparabilité des cellules,
- Permettre à la même pièce d’intégrer un maximum de fonctions, comme des fonctions structurelles, cumulées à des fonctions de blindage électromagnétique par exemple ou des fonctions de circulation d’énergie en creusant des tranchées dans le moule.

Enfin, on tend à éviter toute arrête franche et appliquer des conges d’un rayon de sept mm minimum pour coudre deux surfaces perpendiculaires entre elles. Les parties de moule sont conçues pour intégrer la totalité des fonctionnalités telles que les passages de câbles ou les inserts de fixation.

NOMENCLATURE

20. logigramme d’étapes

21 à 34. étapes d’un exemple de mise en œuvre du procédé

40. chronogramme

41. durée de séchage de la mousse

42 début de la durée de séchage de la mousse

43. fin de la durée de séchage de la mousse

44. durée de polymérisation de la résine

45. début de la durée de polymérisation de la résine

46. fin de la durée de polymérisation de la résine

50, 50. partie de moule

51. évidemment, ou cavité, interne 51 qui correspond au corps du quadricoptère

52. extension qui correspond à un bras du quadricoptère

53. axe de symétrie du quadricoptère

54. axe d’un bras

55, 55. épaisseur de la partie de moule

56, 56. peau en fibres de matériau souple

57. dépassement de peau au-delà de la partie de moule

58, 58. résine

59. évidement cylindrique

60. mandrin

61. peau du mandrin

62. résine imprégnant la peau du mandrin

63. mousse expansive

64. pièce centrale

71. réservation, ou congé,

72. peau rigide

73. réservation, ou congé,

74. position d’un moteur

Claims (10)

1. Procédé (20) de fabrication d’une pièce rigide (70), qui comporte :
   - une étape (26) de fermeture d’un moule (50) dont la paroi interne est recouverte d’une peau (56) en fibres de matériau souple imprégnées avec de la résine (58),
   - avant le durcissement de la résine, une étape (28) d’introduction d’une mousse expansive dans le moule et une étape (29) d’expansion de la mousse,
   - une étape (30, 31) de séchage de la mousse,
   - avant la transition vitreuse complète de la mousse au cours de l’étape de séchage, une étape (31) de cuisson de la pièce à une température de polymérisation de la résine et
   - après le durcissement de la résine, une étape (34) de démoulage de la pièce rigide (70).
2. Procédé (20) selon la revendication 1, dans lequel la résine est une résine époxy lente présentant une durée de travail supérieure ou égale à 24 heures.
3. Procédé (20) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la mousse expansive (63) est une mousse époxy avec ajout de billes en polystyrène expansé.
4. Procédé (20) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel, au cours de l’étape (23) de pose d’une peau (56) en fibres de matériau souple sur la surface de plusieurs parties d’un moule, on fait dépasser la peau du moule de la partie de moule correspondante et, au cours d’une étape, on superpose le dépassement (57) de peau d’une partie (50) de moule avec la peau posée sur une autre partie (50’) de moule.
5. Procédé (20) selon l’une des revendications 1 à 4, qui comporte, de plus, une étape (24) de pose, dans une partie (50) de moule, d’au moins un mandrin (60) entouré d’une peau (61) en fibres de matériau souple imprégnée de résine (62).
6. Procédé (20) selon la revendication 5, dans lequel au moins un mandrin (60) est en matériau présentant un fort coefficient de dilatation thermique, le procédé comportant, de plus, après l’étape (31) de cuisson, une étape (32) de refroidissement du moule (50, 50’) comportant la pièce moulée (70) à une température inférieure à 0°C et une étape (33) de retrait d’au moins un mandrin à cette température.
7. Procédé (20) selon la revendication 6, dans lequel au moins un mandrin (60) est en polyoxyméthylène (ou polyformaldéhyde ou polyacétal).
8. Pièce moulée (70) obtenue par la mise en œuvre du procédé (20) selon l’une des revendications 1 à 7.
9. Pièce moulée (70) selon la revendication 8, qui constitue une cellule de véhicule.
10. Pièce moulée (70) selon la revendication 8, qui constitue une cellule d’aéronef.