WO2013117838A1 - Procédé et installation de fabrication d'une structure alvéolaire en nid d'abeilles - Google Patents

Procédé et installation de fabrication d'une structure alvéolaire en nid d'abeilles Download PDF

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WO2013117838A1
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    • B29K2995/0027—Transparent for light outside the visible spectrum

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a plastic honeycomb honeycomb structure.
  • the binding of the sheets is carried out in almost all cases, for the metal strips as for the aramid papers, by means of an epoxy-nylon type adhesive. Its resistance to peeling and shearing is very high. Once cured, the adhesive can withstand a maximum temperature of 204 ° C, while a thin strip of aluminum alloy 5052 no longer resists properly compressive force beyond 177 ° C.
  • Alternatives to glue are brazing and autogenous welding.
  • the cardboard honeycomb also requires glue to join the sheets together. However, it is not possible to recycle such honeycomb structures, since this would require separating the cardboard sheets from the glue, which is impossible.
  • WO94 / 06580 A1 discloses a method of manufacture of the type
  • thermoplastic polymer sheets which poorly conduct heat and therefore require that the energy of the laser be gradually and uniformly provided over the entire width weld seam.
  • these sheets can form small folds and it is therefore essential for good contact that the pressurization is done at the weld bead and not at the side.
  • the means used during the drawing for the manufacture of an aluminum honeycomb structure which consist in particular of metal pins are not suitable for stretching sheets of thermoplastic polymers.
  • WO98 / 06577 A1 discloses a method of manufacturing an expandable compact sheet block into a honeycomb structure.
  • the sheets contain at least one thermoplastic phase having a softening temperature and a significantly higher melting temperature.
  • a set of parallel beads of a given material is applied to the surface of the block.
  • This material may for example be a thermoplastic polymer similar to that contained in the sheet. If the beads of thermoplastic material are hot applied by extrusion, it is sufficient to cold press the free sheet on the block. If they are applied cold, hot pressing allows their adhesion to the surface of the block and the free sheet. The hot pressing can take place after the removal of each new sheet, where only after the constitution of the block, which means that all the cords are softened simultaneously.
  • thermosetting resin which will be crosslinked in an oven.
  • WO98 / 065577 A1 presents a real complexity because thermoplastics are poor conductors of heat and it then seems difficult to successfully weld in a perfectly repeatable manner and with a sufficient strength of hundreds of sheets between them by pressing hot or cold thousands of cords to obtain a single block.
  • the methods of binding sheets to make a honeycomb structure depend on the nature of the leaf material employed. As detailed above, these methods not only require steps complexes do not make their industrialization interesting, but also they do not always give very satisfactory results as to the quality obtained from the honeycomb structure, namely the homogeneity of the cells.
  • binding methods may require additions of materials that have disadvantages such as weaken the honeycomb structure or prevent recycling of the honeycomb structure.
  • thermoplastic material are often complex and difficult to implement from an industrial point of view compared to those used for the drawing of aluminum sheets, and this because of the mechanical properties different from these materials which must be taken into account when drawing.
  • technical difficulties are also encountered when it is desired to stretch sheets of thermoplastic material to obtain a thermoplastic honeycomb structure according to the stagger-bonding technique.
  • the present invention proposes to overcome all of these disadvantages that one faces when one wishes to manufacture a honeycomb structure, and in particular a structure of thermoplastic material, according to the technique of "stagger-bonding".
  • the present invention relates to a method of manufacturing a honeycomb structure according to the technique of "stagger-bonding" from sheets of any thermoplastic material, waterproof or porous, which offers the possibility to freely choose the size of the hexagonal cells and which allows the slicing without loss of material, so as to optimize the costs of storage and transport.
  • the invention also relates to an installation implementing said method of manufacturing a honeycomb structure.
  • the method of manufacturing a honeycomb honeycomb structure according to the invention comprises the following steps:
  • thermoplastic material containing at least one blowing agent
  • a second sheet of a thermoplastic material absorbing on the first sheet is reported and welded to the laser, according to a plurality of continuous weld seams spaced apart from one another, where appropriate and laser-welded, according to a plurality of of cords continuous soldering spaced from each other, at least a second sheet on the second sheet which precedes it so as to form a stack of second sheets;
  • thermoplastic material containing at least one expansion agent a thermoplastic material containing at least one expansion agent
  • ABSORTENT thermoplastic material means a thermoplastic material which absorbs in the near infrared, namely at a wavelength of between 750 and 1400 nm, preferably between 800 and 1100 nm;
  • “Expansion agent” means an agent which increases the volume of the thermoplastic material by 12 to 20 times when said material is subjected to a blowing agent activating treatment.
  • the blowing agent is advantageously a chemical blowing agent which can be activated by heat.
  • it is azodicarbonamide, optionally mixed with activators which lower its decomposition temperature.
  • Activators can be zinc compounds such as zinc oxide (ZnO), zinc stearate or benzene sulfohydrazide or alpha-amidosulfone.
  • honeycomb structure obtained according to the manufacturing method of the invention is perfectly recyclable because it is free of glues.
  • honeycomb structure is nonetheless solid and homogeneous, since by soldering sheet and placing the surface of each sheet in a horizontal plane, one builds a compact parallelepiped stack.
  • This stack offers a high compressive strength, which makes it possible to apply a strong pressure on the free sheet at the weld seam during laser welding and thus to guarantee welds as solid as the constituent material.
  • honeycomb structure can be stored and transported in its compact form, that is to say in the form of a block consisting of flat sheets welded together, or in the form of slices cut in this block.
  • the method may incorporate one or more of the following characteristics, taken alone or in combination with one another:
  • the blowing agent is preferably azodicarbonamide.
  • First loops and second loops can then be formed by respectively heating the first sheet and the third sheet to the decomposition temperature of the blowing agent which is preferably azodicarbonamide. This temperature can be lowered by adding azodicarbonamide a decomposition activator.
  • the thermoplastic material of the first sheet and the third sheet comprises at least one polymer such as a polyolefin, preferably selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene and ethylene vinyl acetate (EVA).
  • the thermoplastic material of the second sheet comprises at least one polymer selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, polyamides, polyesters, polystyrenes, polycarbonate, acrylonitrile butadiene styrene, polyetherimide, polyethersulfones, phenylene polysulfide and polyether ether ketone and further contains carbon black.
  • the laser is welded by means of a welding device which comprises a plurality of laser heads each generating a rectangular shaped laser beam which is uniform or of energy profile in the form of "M".
  • the drawing device comprises a plurality of stirrups and a plurality of U-shaped rods.
  • the U-shaped rods are arranged so as to penetrate into the first loops and second loops and to connect them. stirrups.
  • the drawing device may comprise hot air diffusion means.
  • the alveolar honeycomb structure obtained according to the manufacturing method of the invention may have a density of less than 50 kg / m 3 , preferably less than 30 kg / m 3 , with hexagonal cells of mesh size between 3 and 50 mm.
  • the manufacturing method according to the invention it is possible to cut the alveolar honeycomb structure, for example with a paper cutter, into slices whose thickness is at least 1 mm, preferably between 1 and 5 mm. , and whose thickness tolerance is less than +/- 0.2 mm.
  • the invention also relates to an installation for implementing the method of manufacturing a honeycomb structure as described above, said installation comprises:
  • a device for stacking the first leaves, second leaves and third leaves a device for stacking the first leaves, second leaves and third leaves; a laser welding device, optionally equipped with pressure means;
  • thermoplastic material blowing agent of the first sheet and the third sheet an expansion device of the thermoplastic material blowing agent of the first sheet and the third sheet; - A drawing device, optionally equipped with a hot air diffusion means.
  • the drawing device comprises a plurality of stirrups, a plurality of U-shaped rods, said U-shaped rods being arranged to penetrate the first loops and the second loops and to connect them to the stirrups.
  • the expansion device comprises a hot air oven, for example in the form of an enclosure equipped with heating resistors which diffuse hot air into the enclosure.
  • the welding device comprises a plurality of laser heads each generating a rectangular shaped laser beam which is uniform or of "M" energy profile.
  • FIG. 1 is a schematic front view in longitudinal section of a portion of an installation for manufacturing a honeycomb structure according to the invention.
  • Figure 2 is a top view of the installation shown in Figure 1.
  • FIGS. 3a to 3f show exemplary embodiments of hexagonal cells of different dimensions
  • Figure 4a is a schematic side view of a laser welding head and its pressing wheels.
  • Figure 4b is a schematic front view in partial section of the welding head of Figure 4a.
  • Figure 5 shows a schematic view of an expansion device that can be used in the context of the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic view of a slice of a honeycomb structure obtained according to the manufacturing method of the invention.
  • Figure 7 is a schematic cross section of a portion of a drawing device that may be used in the context of the invention.
  • Figure 8 is a schematic cross section of the drawing device incorporating a heater of the compact honeycomb slice.
  • Figure 9 is a schematic view of a portion of a drawing device according to a second embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic view from above of a portion of the drawing device shown in FIG. 9.
  • Figure 1 a strip 100 of an absorbent thermoplastic material which is unwound from a coil 2.
  • This strip 100 preferably has a thickness of between 0.1 and 1 mm.
  • the thermoplastic material of the strip 100 may be chosen from the group consisting of polyolefins (polypropylene, polyethylene), polyamides, polyesters, polystyrenes, polycarbonate, acrylonitrile butadiene styrene, polyetherimide, polyethersulfones, polyisulfide and the like. phenylene and polyether ether ketone.
  • said material is reinforced by fibers such as, for example, and non-exhaustively, glass, carbon fibers or aramid fibers, so as to increase the thermomechanical performance of the honeycomb structure.
  • fibers such as, for example, and non-exhaustively, glass, carbon fibers or aramid fibers, so as to increase the thermomechanical performance of the honeycomb structure.
  • this thermoplastic material may also be airtight or, on the contrary, porous in the air, or may have been perforated with fine needles by a machine. Such perforated materials are particularly suitable and sought after in the technical fields such as aeronautics and space.
  • the honeycomb structure obtained according to the manufacturing method according to the invention is particularly suitable and advantageous for these technical fields.
  • thermoplastic polymers do not or hardly absorb electromagnetic radiation in the 750 to 1400 nm wavelength range. To make them absorbing, simply add a charge that vibrates at the wavelength of the laser when the polymer is illuminated by a laser source. The extremely rapid vibration of the charge molecules causes friction within the thermoplastic material a rise in temperature.
  • the most commonly used absorbent filler is carbon black because it can be used in a broad spectral band that covers the visible and all the near infrared.
  • the carbon black may have the disadvantage of opacifying and coloring the thermoplastic material black.
  • Alternatives to carbon black are MERCK's Iriodin®, GENTEX Corp.'s Clearweld®. and BASF's Lumogen®, which only lightly stain the thermoplastic material, which thus retains its transparency in the visible spectrum.
  • the absorbent thermoplastic material of the strip 100 is in the form of a bilayer, namely that it consists of a transparent top layer in the near infrared and a layer inferior absorbent lower in the near infrared of smaller thickness than the upper layer.
  • the laser When the thermoplastic material is bilayered, the laser is welded by transparency. More precisely, when the laser beam passes through the transparent layer, its electromagnetic energy is converted into heat in the absorbing layer. This absorbent layer becomes pasty and, by thermal conduction, also causes the softening of the surface of the other second bilayer sheet on which it rests. By exerting a locally important pressure on the pasty areas in contact, it causes an interpenetration of material between two sheets to be welded. After cooling, a good quality weld is obtained. Ideally the absorbent layer should be very thin, so as to generate heat closer to the interface between the two sheets that are welded. It is mandatory to absorb almost completely the electromagnetic radiation in the absorbent layer of the first sheet. On the one hand to obtain the best energy efficiency, and on the other hand to prevent enough electromagnetic energy reaches the absorbent layer of the next sheet, which would have the unfortunate consequence of welding three sheets together.
  • the absorbent layer may tear during the drawing step of the manufacturing method according to the invention.
  • the thickness of the absorbent layer around 20 microns.
  • the proportion of carbon black by mass in the absorbent layer must then be at least 5%.
  • the fineness of the particles and especially the uniformity of the dispersion of the carbon black in the absorbent layer are important.
  • thermoplastic material absorbing the band 100 is in the form of a trilayer.
  • Polypropylene (PP), polyethylene (PE), polystyrene (PS), and amorphous polyethylene terephthalate (APET) bilayer and trilayer films having thicknesses of at least 150 microns are commonly manufactured industrially. It is possible to coextrude a bilayer sheet from thermoplastic polymers such as those mentioned above with a thickness of at least 150 microns. This is perfectly appropriate for the density range of an 8 mm mesh honeycomb that can be obtained with the manufacturing method according to the present invention.
  • a bilayer consisting of a top layer having a thickness of about 150 microns of a polymer such as chosen from PP, PE, PS or ⁇ and a lower layer with a thickness of the order of 40 microns of a polymer such as chosen from PP, PE, PS or Which additionally comprises a degree of filler such as carbon black of the order of 2.5% by weight.
  • the absorbent thermoplastic material of the web 100 is a monolayer of a thermoplastic material which can be 100% recycled and contains carbon black. It may further contain reinforcing fibers. According to this embodiment, it is welded by conduction, namely that during the displacement of the laser segment, the temperature will rise gradually to exceed the melting point of the thermoplastic material. This gradual rise in temperature is communicated to the bottom sheet, and it is sufficient to quickly apply a strong pressure on the weld line and then to cool.
  • the method according to this embodiment is very well suited for welding sheets up to 300 microns thick.
  • a 200 micron monolayer polyester sheet (APET) containing 1% carbon black may be welded onto another single layer of polyester (APET) which is itself already welded onto the stack of second sheets, and this at a speed between 1 10 and 150 mm per second, with a laser segment of 120 W distributed over an area of 150 mm long and 3 mm wide, without the weld is spread further below of this top sheet of the stack of second leaves.
  • a 150 micron PEEK film is welded under the same conditions at a speed of between 90 and 100 mm per second.
  • the spool 2 unwinds a strip 100 of a bilayer consisting of a top layer with a thickness of 150 microns of PP and a bottom layer with a thickness of 40 microns PP which further comprises a carbon black content of 2.5% by weight.
  • the strip 100 is unrolled in a horizontal position by a motor acting directly on the mandrel of the spool 2 and by a set of rubberized rollers 3.
  • a cutter 5 (it may also be a hot wire) cuts, under the control of a measuring wheel 4, the band 100 into second sheets 101 which once arranged and welded together will constitute a stacking 1 10 of second sheets 101. According to the desired dimensions of honeycomb structure, the length of the second sheet 101 can be adjusted.
  • a device providing in a predetermined order second sheets 101 of absorbent thermoplastic materials of the same dimensions but for example of different natures and / or colors or with localized micro-perforations.
  • the second sheet 101 cut by the cutter 5 is then transferred by means of rubberized rollers 6 at a determined location of a horizontal table 7 to be subsequently transferred using a transfer device within the reach of the human being. craft on the stack of second sheets 101 in formation.
  • a system of retractable stops makes it possible to perfectly superimpose the second sheet 101 on the stack 1 10 of second sheets 101.
  • the stack 1 10 is supported by a plate 8 which can move vertically while being guided by columns 9 and under the action of the electric cylinder 10.
  • the plate 8 whose upper surface is at the beginning of manufacture of the structure honeycomb in the same plane as the table 7 goes down as the increase of the stack 1 10 of second sheets 101.
  • a sensor triggers the start of the electric jack 10 and thus the descent of the plate 8 of a determined value.
  • thermoplastic material which contains at least one blowing agent had been placed on the anti-slip coating (not shown) of the plate 8.
  • the anti-slip coating is advantageously colored white with titanium oxide which does not absorb the laser radiation in the near infrared but diffuses it in its volume without letting it out.
  • the thermoplastic material of the first sheet 38 may be a polyolefin as selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene and ethyl vinyl acetate.
  • the thermoplastic material of the first sheet 38 must be compatible with the material of the second sheet 101 so that these sheets can be welded together.
  • the content of the blowing agent is advantageously between 5 and 15%, preferably between 7 and 11%, by weight of the thermoplastic material of which the first sheet 38 is made.
  • the blowing agent is preferably a chemical blowing agent, preferably azodicarbonamide.
  • the first sheet 38 has been obtained by extrusion of a thermoplastic material.
  • an expanding agent preferably a chemical blowing agent
  • a chemical blowing agent was mixed in the solid form with the thermoplastic material.
  • azodicarbonamide preferably, which is mixed with activators which decomposes it at 160 ° C.
  • chemical expansion to polyethylene pellets to obtain a compact sheet of 300 microns to 1 mm.
  • the sheet was then crosslinked so as to form an insoluble and infusible three-dimensional network.
  • the degree of crosslinking is greater than 50%. This is the level of insoluble gel.
  • insoluble gel level is meant the level of insoluble gel during extraction with hot xylene solvent.
  • the material of the first sheet 38 may also be absorbent in the near infrared, for example if it further contains a filler such as carbon black.
  • the material of the first sheet 38 may be indifferently absorbent in the near infrared or transparent since it is the second sheet 101 placed on the first sheet 38 which converts the energy of the laser into heat.
  • an absorbent black film can be laminated (for example with a two-component polyurethane glue) (ie it contains for example carbon black) of the same nature as the material of the first sheet 38 on a transparent sheet made of the thermoplastic material of the second sheet 101.
  • a format of this complex will be used as an interlayer between the first sheet 38 and the stack 1 10 of second sheets 101, its black face being brought into contact with the first sheet.
  • thermoplastic material of the third sheet 380 is not absorbent to prevent heat being generated at its surface under the effect of laser illumination during welding. Also, this provides the advantage of being able to weld by transparency, which is faster than conductive welding.
  • the interlayer used between the last second sheet 101 of the stack 1 10 and the third sheet 380 is a complex composed of a thin black film of the thermoplastic material constituting the second sheets 101 and a thin black film of the material constituting the third sheet 380.
  • the axis of the abscissa X is parallel to the length of the second sheet 101 and the axis of the ordinate Y is parallel to the width of the second sheet 101.
  • a set of linear motors consisting of two identical motors 1 1 a and 1 1 b perform perfectly synchronized movements and move along the Y axis a third linear motor 12.
  • the linear motors are synchronous brushless servomotors. They operate on the same principle as rotary engines but are open and unrolled flat.
  • the electromagnetic interaction between a coil assembly (primary assembly) and a permanent magnet path (secondary assembly) transforms electrical energy into linear mechanical energy with high efficiency.
  • the mobile primary assembly is the carriage 13.
  • the carriage 13 moves along the X axis a set of laser welding heads 14 by ensuring that the weld beads will be on the same second sheet 101 or a third sheet 380, distant from the desired value with a tolerance of +/- 10 microns, but also that the weld beads will be aligned throughout the thickness of the stack 1 10 with the same precision of +/- 10 microns.
  • This is an important technical feature for the formation, during drawing, of regular and perfectly aligned hexagonal cells.
  • the laser welding is performed by means of a welding device which comprises a plurality of parallel laser welding heads 14.
  • a welding device which comprises a plurality of parallel laser welding heads 14.
  • the carriage 13 can move for example up to 31 laser welding heads on a useful stroke of 1680 mm. This length is preferred because it corresponds to a standard width of the cutting machines.
  • the welding device may further comprise at least one pressing wheel.
  • each laser welding head 14 generates a uniform light segment.
  • a uniform illumination of an area greater than 10 square millimeters is defined in the following manner: Either an elementary surface of 1 millimeter square. The illumination is said to be uniform on the surface greater than 10 square millimeters if the difference between the average optical power received by this surface greater than 10 square millimeters and the power received by any of its elementary surfaces does not exceed 10 millimeters. %.
  • the difficulty is to make rectilinear weld seams as resistant to breakage as the sheet itself which, by nature, is flexible, while preserving the flatness of the sheet that has just been soldered. If deformations appear on the surface of the stack 1 10, the laser welding heads 14 may not lay flat on the second sheet 101 to be welded, which is detrimental to the quality of the weld seams. On the other hand, these deformations can accumulate in the thickness of the stack 1 10. The unevenness of the sheets to be welded and the weakness of some of the welds that bind them can make it impossible to heat-stretch a slice. from this block.
  • the laser beam of rectangular shape (“the laser segment”) may advantageously have a length of between 8 cm and 15 cm (more precisely of the order of 8 cm, when soldering by transparency and the order of 15 cm when solder by conduction) and a width of 3 mm.
  • the light guide may, depending on its nature, cool the surface of the top sheet to be welded and thus avoid a degradation of the surface condition. This is very important when you want to weld together several hundred sheets to build a stack.
  • the material used to machine the guide is preferably an amorphous thermoplastic polymer which is naturally very transparent in the near infrared.
  • a polycarbonate light guide gives excellent results, but if the temperature on the surface of the sheet to be welded exceeds 120 ° C, it is necessary to use a polymer with a higher temperature resistance such as polyetherimide (up to 180 ° C). C) or even a thermoplastic polyimide such as SABIC Extem® which supports 250 ° C.
  • Polycarbonate and polyetherimide have a low coefficient of thermal conductivity, of the order of 0.2 W / m.K at 20 ° C. They can not drain the heat that rises from the interface between the second sheets to be welded to the surface of the top sheet to be welded.
  • the light guide leaves a mark hollow.
  • the marking is all the more pronounced as the transparent layer is thin and the amount of energy to cause the softening of the absorbent layer is high. It is possible to avoid marking the surface of the sheet to the point of obtaining a weld almost invisible from the outside. To do this, it is necessary to maintain the temperature of the surface of the sheet to be welded to a value much lower than its deformation temperature.
  • a very efficient caloric drainage is achieved by replacing the light guide in amorphous thermoplastic material with a mineral material which is also very transparent but conducts heat.
  • This can be for example a synthetic sapphire whose thermal conductivity coefficient is 40 W / mK at 20 ° C (200 times more than polycarbonate).
  • the weld bead obtained is as tensile strength as the sheet itself, and the surface of the sheet is perfectly flat and smooth.
  • the caloric drainage absorbs some of the heat created in the absorbent layer by the laser segment and therefore requires equal power to weld less rapidly than with a plastic light guide.
  • optical glass with a thermal conductivity coefficient of 1.1 W / m ⁇ K at 20 ° C, or quartz (1.4 W / m ⁇ K at 20 ° C).
  • the illumination is uniform along the Y axis, and has, along the X axis, a parabolic profile with an axis of symmetry parallel to the Y axis.
  • the illumination value is maximum at the ends of the short side of the segment and declines progressively to reach the center of the segment a value of about 15% lower than the maximum.
  • Such an energy profile is said to be "M-shaped”.
  • the laser light segment is generated by VCSEL diodes ("Vertical Cavity Surface Emitting Laser” translated by “vertical cavity emitting laser”) which emit in the near infrared, namely at a length of wave between about 750 and 1400 nm, and preferably between 800 and 1100 nm.
  • the laser light segment can be generated by a diode or several edge emitting diodes which emit in the near infrared, namely at a wavelength of between about 750 and 1400 nm, and preferably between 800 and 1100 nm.
  • At least one refractive lens may be used to give the laser beam a uniform or "M" shaped energy profile as described above.
  • the laser welding heads are devoid of light guide and directly project a beam on the surface of the sheet to be welded.
  • the laser welding technique and the laser welding device that can be used in the context of the present invention are perfectly within the abilities of those skilled in the art.
  • the international application WO 201 1/1 17504 A1 describes laser welding embodiments and laser welding devices that are suitable for implementing the manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 2 provides a better understanding of how weld lines are generated for welding two second sheets 101 together.
  • the carriage 13 starts the assembly cycle of a second sheet 101 called "free” since not yet welded on the stack 1 10 of second sheets 101, starting from one end of the stroke of the linear motor 12.
  • the entire manufacturing process of the stack 1 10 is advantageously controlled by a computer.
  • the following data must be integrated:
  • a software then calculates the number of second sheets 101 necessary to assemble, the cutting length of these second sheets 101, the spacing between the laser welding heads 14 (which is preferably made manually), the starting position of the carriage 13 and the path of the laser welding head assembly 14.
  • the motors 11a and 11b When the cycle is started, the motors 11a and 11b produce a first set of parallel welding beads carrying the laser welding heads 14 in operation over the entire width of the second sheet 101 (ie along the axis Y) to exit completely outside this second sheet 101, in a zone 15a where the power supply of the laser sources is cut off.
  • This zone 15a like the zone 15b which is symmetrical to it, has a inclined plane which starts from the surface of the block to join a flat area located lower than the low position of the laser welding heads 14 and wheels.
  • the laser welding heads 14 and the pressing wheels of the carriage 13 which are entirely contained in the zone 15a are not supported but simply held "suspended in the air" by the carriage 13.
  • the computer program then commands the carriage 13 to to reach its next abscissa point, and the set of laser welding heads 14 is moved along the axis X without friction. Power to the laser sources is restored.
  • the motors 1 1a and 1 1b then move the motor 12 and the set of laser welding heads 14 again along the Y axis, in the opposite direction to the previous displacement for the realization of a new series of strings. parallel welding.
  • zone 15b the laser welding heads 14 are no longer powered and they can move along the X axis, as well as the press wheels of the carriage, without friction.
  • the carriage 13 joins a new abscissa X and the previous cycle starts again until the carriage reaches its last abscissa.
  • the program returns it to its new starting position with a speed of linear motors that can reach 3 meters per second, which means that the return is very fast. Simultaneously, if the thickness sensor of the block gives a signal, the electric jack 10 lowers the plate 8 by a predetermined value. A second sheet 101 is placed on the stack 1 10 and the manufacturing cycle resumes as detailed above.
  • the new starting position is such that the new weld seams will be exactly in the middle of the cords previously made. In other words, the laser welding heads 14 are shifted along the X axis so that the laser segments pass in the middle of the weld beads made on the second sheet 101 previous.
  • the welding along parallel lines regularly spaced from the format on the block is carried out in at least two passes of the set of laser welding heads 14. This makes it possible to limit the number of these laser welding heads 14 and to maintain enough space on the X axis to be able to change the spacing between the weld lines and thus the size of the hexagonal cells.
  • Figures 3a to 3f illustrate some embodiments of hexagonal cells of different sizes.
  • Figure 3a is the simplest case.
  • the weld beads are continuous and parallel along a line L and appear in the form of dark stripes.
  • the spacing between two adjacent weld seams is three times the width of the weld seam. And this cord width corresponds to the width of the laser segment.
  • the second sheet 101 Upon stretching, the second sheet 101 will naturally bend along the outer lines of the weld beads to form hexagonal cells.
  • FIG. 4a shows a laser transparency welding head 16 and its two pressing wheels 17a and 17b.
  • Two ball bearings 18a and 18b allow it to slide vertically along metal rods embedded in a plate 19.
  • This plate is fixed on a rigid and flat metal plate 20 secured to the carriage 13, by butterfly screws 21a and 21b.
  • the sockets 22a and 22b leave enough travel to the welding head 16 to exert on the sheet format 101 a pressure equal to its own weight divided by the surface of the light guide 23.
  • This pressure of the welding head 16 when the laser irradiation contributes significantly to the interpenetration of fluidized materials between the sheets to be welded.
  • the front wheel drives out the folds that can form when the sheet is very thin, and it guarantees the light guide 23 an advance on a flat surface.
  • the pressure exerted by the wheels 17a and 17b is adjustable thanks to two springs 24a and 24b, the compression ratio of which depends on the position of the sockets 25a and 25b.
  • Sockets 26a and 26b like sockets 22a and 22b, respectively limit the descent of wheels 17a and 17b and welding head 16, so that when they are in zones 15a and 15b they are no longer in position. 7.
  • the carriage 13 can then move along the X axis without friction and without risk of damaging the wheels and the welding head 16.
  • Figure 4b shows that the welding head 16 is connected to the ball bushings 18a and 18b through a suspension consisting of two rubber diabolos 27a and 27b. Mounted opposite and in the lower part of the welding head 16, they oppose a moderate resistance to rotation along the X axis but on the other hand a high resistance to rotation along the Y axis. the pitch of the welding head 16, so as to ensure that the light guide 23 is flat on the second sheet 101, and the roll is prevented.
  • the partial section AA makes it possible to understand how one can freely choose the position along the X axis of the plate 19 on the plate 20. In this plate 20, one has made on both sides of the carriage 13 two rows of bores regularly. spaced.
  • the plate 19 has a groove parallel to the axis X which allows to fix quickly to the plate 20 by means of four butterfly screws 21a, 21b.
  • the computer calculates the spacing between the light guides 23 of the different welding heads 16 mounted on the carriage 13.
  • the first laser welding head is fixed, and a calibration plate whose width corresponds to the desired spacing is placed in abutment along the light guide 23 of the first laser head.
  • the second laser welding head is moved along the X axis so that its light guide 23 comes into full contact with the other end of the calibration plate.
  • the second head is then screwed into position and the same operation starts again with the third head, then with all the following ones.
  • the compact block consisting of the first sheet 38, the third sheet
  • FIG. 5 represents an expansion device for the thermoplastic material of which the first sheet 38 and the third sheet 380 are formed in order to form loops 36,360.
  • the assembly consisting of the first sheet 38, the stack 1 10 of second sheets 101 and the third sheet 380 is introduced vertically between roller banks 37 themselves arranged vertically. This means that the thermoplastic sheets that make up the slice of the honeycomb structure are arranged in the horizontal plane.
  • the first sheet 38 is first brought into contact under the effect of the weight of the wafer on a heating plate 39 covered with a non-stick Teflon cloth 40. The purpose is to raise the temperature within the first sheet 38 at a level close to the decomposition threshold of the blowing agent without deforming the lower edge of the wafer.
  • the first preheated sheet 38 then passes into an enclosure whose width is adjusted by two flaps 41 to the width of the wafer. Inside this enclosure heating resistors 42 are set such that the temperature of the air on the surface of the first sheet 38 causes decomposition of the blowing agent.
  • the decomposition temperature is about 200 ° C. This generates gas bubbles that remain trapped in the mesh constituted by the chains bridged between them.
  • the first sheet 38 inflates in less than about three minutes to become a foam.
  • the rate of expansion depends on the proportion of blowing agent contained in the thermoplastic material of which the first sheet 38 is made.
  • this temperature can go down to 120 ° C.
  • the passage time in the hot air enclosure is short, so as to avoid excessive softening of the second sheets 101 close to the first sheet 38.
  • first sheet 38 expands, its coefficient of thermal conduction decreases. .
  • second sheet 101 adjacent thereto is thus protected.
  • the thermoplastic material constituting the second sheets 101 must be exposed to hot air at 190 ° C for a period of about three minutes without much damage. This is the case for all high performance polymers: polyethersulfones (PES, PSU, PPSU), polyetherimide (PEI), phenylene polysulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK).
  • a first sheet 38 can be used in the form of a crosslinked material based on polyethylene or ethylene vinyl acetate (EVA) and containing a chemical expansion agent that reacts at a temperature well. lower, up to about 120 ° C.
  • This blowing agent is, for example, azodicarbonamide mixed with benzene sulfohydrazide or alpha-amidosulfone as well as expansion promoters.
  • crosslinked foam By expanding the crosslinked foam forms very regular loops 36.
  • the expansion of the first sheet 38 takes place in the three directions of space, but less in the thickness than in the long and wide directions.
  • the loops 36 are therefore much wider than the slice of the compact honeycomb structure.
  • the foam has mechanical properties and temperature resistance all the higher the degree of crosslinking is important.
  • a cross-linked polypropylene foam strip 10 mm wide must withstand a force of 5 N at a temperature of 140 ° C for at least 10 minutes.
  • Two fast rotating discs 43 are pressed onto the sidewalls of the wafer and discharge the excess material 44 to a container 45.
  • the operation is obviously repeated on the third sheet 380 so as to form loops 360 and thus to obtain a compact honeycomb slice having on both edges a row of crosslinked foam loops 36,360.
  • the last operation of the manufacturing process is the drawing of the wafer in hot air to obtain a honeycomb honeycomb structure with hexagonal cells.
  • Figure 7 is a sectional view of a draw bar 47 and one of its stirrups 48.
  • the draw bar 47 is an aluminum profile.
  • the stirrup 48 is composed of a double steel bracket 49 of 10 mm wide inside which are mounted two pins 50a and 50b which carry washers Teflon® 51 and 52. With these bearings resting on the generatrices of the drawbar 47 and the very low coefficient of friction of the Teflon®, the yoke 48 slides easily along the drawing bar 47.
  • a U-shaped steel rod 53 enters the loops 36 and thus connects to the stirrup 48.
  • a steel bar of rectangular section 54 can simultaneously raise the rods 53 of all stirrups to be able to place the slice to stretch, or several identical superimposed slices.
  • Figure 8 is a longitudinal section of a drawing table in a hot air enclosure.
  • Two identical draw bars 47a and 47b are represented.
  • the draw bar 47a is fixed.
  • the draw bar 47b moves in a horizontal plane by sliding along steel tubes 57 fixed on both sides of the table.
  • a tensile force sensor (not shown in FIG. 8) connected to a chain 58.
  • This sensor is a spring with high stiffness turns which establishes an electrical contact when its elongation exceeds an adjustable limit value.
  • this temperature is equal to or slightly greater than the Heat Deflection Temperature (HDT) temperature measured under the ISO 75 A standard (method A: 1 , 8 MPa.)
  • HDT Heat Deflection Temperature
  • amorphous polyester stretches at 70 ° C
  • PEI polyetherimide
  • At least 150 ° C is required to stretch a slice of a compact polypropylene homopolymer honeycomb structure, while the HDT is less than 100 ° C.
  • the most reliable way to raise the temperature of the entire slice evenly is to pass it through a hot fluid.
  • amorphous polyethylene terephthalate, polystyrene and low density polyethylene it is possible to stretch the plate in hot water. But it is more advantageous to use hot air.
  • FIG. 8 there is a set of heating wires 61. These are metal wires stretched across the width of the drawing table and parallel to the bars 47a and 47b. Run through a high intensity electric current, these son 61 give off heat.
  • the temperature is the same at all points of the wire 61 and is modified by varying the intensity of the electric current. Thus, there are as many zones whose temperature is individually adjustable that there are heating son 61.
  • a set of fans 62 dispense warm air to the slice of the compact honeycomb structure.
  • a welded stainless steel honeycomb plate 63 capable of withstanding 250 ° C continuously, and having a thickness equal to at least 7 times the mesh size of the hexagonal cells, rectifies the turbulent hot air flow generated by the fans 62 to make a laminar flow. This stainless steel honeycomb plate carries the edge of the compact thermoplastic honeycomb structure when mounted on the drawbars.
  • the wafer or slices are placed on the aluminum honeycomb plate 63 and the U-shaped stems of the stirrups 53 are lowered inside the loops 36, 360. Then, by the force of the motor 60, cold exerts a significant tensile force between the two rows of loops 36, 360, so as to cause a very slight opening of the cells (a few microns).
  • the heating son 61 are then powered by an electric current and the fans 62 started.
  • the laminar flow of hot air diffuses inside the cells of the slice of the honeycomb structure and progressively heat up the temperature of the thermoplastic sheets.
  • the motor 60 begins to slowly wind the two chains 58 on the mandrel 59.
  • the bar 47b moves away gradually from the bar 47a. Under the effect of the vibrations created by the passage of air and by traction, the stirrups 48 are progressively closer to one another. A honeycomb plate is formed, and the increase in its length is accompanied by the reduction of its width. A removable hood 64 recovers the hot air that has passed through the plate and returns it to the fans 62. If the temperature inside the wafer exceeds the maximum temperature that can withstand the loops 36,360 of reticulated foam, air compressed is injected into the hollow body of each drawbar through the orifices 55 visible in Figure 7. Thus cooling the Teflon® bearings 51, 52 and the loops 36, 360. The thin aluminum plate 56 is a heat shield integral with the drawbar 47 which prevents the laminar flow of hot air to directly reach the stirrups 48 and 36.360 loops of foam.
  • thermoplastic material constituting the sheets of the honeycomb structure is semi-crystalline, it is necessary to progressively cool the honeycomb structure to avoid a shrinkage phenomenon. Once cooled, the structure is transferred to a table of a printing cutter to eliminate the first and the last row of cells, as well as the loops 36,360 attached thereto.
  • Figures 9 and 10 show an advantageous device for increasing the number of loops 36, which participate in the drawing operation. Indeed, when the mesh of the hexagonal cell is small, the weld lines are close together and the number of loops 36 is therefore very high. One can decide to shoot only one loop out of four for example. The rows of cells closest to the bars 47a and 47b will be deformed and it will therefore eliminate a larger amount of material. To increase the number of stirrups 48 available, one can use a double draw bar 47 (Figure 9), the brackets 49 brackets 48 of one of the draw bars 47 have longer branches than the the second drawbar.
  • Figure 10 is a top view which shows how stirrups 48 are interposed. In this example, all the loops 36 are seized, which makes it possible to obtain rows of regular cells 65 in the vicinity of these loops 36.
  • alveolar network can be stretched to obtain hexagonal cells that are not regular but elongated in one direction.
  • An alveolar plate with "overexpanded” cells (“overexpanded") has greater flexibility in one direction, which allows for example to marry a curved surface.
  • the main industrial application of the honeycomb structures obtained by the manufacturing method according to the invention is the sandwich panel of which they constitute the core.
  • the skins (or surfaces) of the sandwich are decorative (laminate, wood) in the case of the realization of furniture and partitions, especially for the interiors of pleasure boats.
  • They are structural (composite, sheet metal, steel) in the case of parts for aeronautics, automotive and rail. They are both structural and decorative (lacquered aluminum, composite coated with a gelcoat), when it comes to making walls of truck trailers, camping car, wind turbine nacelle for example.
  • the honeycomb structure can also serve as a hollow core to a composite structure.
  • it is coated with a sealing film and a non-woven fastening resin which will be applied by contact or infusion, resin itself reinforced by one or more layers of deposited glass mat on the surface of the honeycomb structure.

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Description

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure alvéolaire de type nid d'abeilles en matière plastique.
Le procédé industriel le plus efficace et qui représente aujourd'hui plus de 95% de la production mondiale de structures en nid d'abeilles toutes matières confondues est le « stagger-bonding » (autrement dit le « liage en quinconce »). Il consiste à constituer un bloc parallélépipédique compact en empilant horizontalement une à une des feuilles d'un matériau donné (papiers aramides, métal, caoutchouc, carton, etc .), chaque feuille étant liée à celle qui la précède et donc au bloc tout entier par un ensemble de lignes parallèles régulièrement espacées. Les lignes de liage sont déplacées d'une feuille à l'autre de manière à venir s'intercaler au milieu des espacements des lignes précédemment réalisées. Cette alternance, ainsi que la largeur des lignes et leur espacement provoquent la formation de cellules hexagonales lorsqu'un effort d'étirage est exercé entre les deux extrémités du bloc perpendiculairement au plan des feuilles. De fait selon la matière utilisée, on choisit d'expanser le bloc entier ou de le découper en tranches et d'expanser ensuite chaque tranche séparément.
Le liage des feuilles est réalisé dans la presque totalité des cas, pour les feuillards métalliques comme pour les papiers aramides, au moyen d'un adhésif du type époxy-nylon. Sa résistance au pelage et au cisaillement est très élevée. Une fois réticulé, l'adhésif peut supporter une température maximale de 204°C, alors qu'un mince feuillard d'alliage d'aluminium 5052 ne résiste plus correctement à un effort de compression au delà de 177°C. Les alternatives à la colle sont le brasage et le soudage autogène.
Le nid d'abeilles en carton nécessite également une colle pour assembler les feuilles entre elles. Cependant, il n'est pas possible de recycler de telles structures en nid d'abeilles, étant donné que cela nécessiterait de séparer les feuilles en carton de la colle, ce qui est impossible.
Les structures en nid d'abeilles utilisant de la colle présentent donc l'inconvénient de ne pas être écologiques.
Le document WO94/06580 A1 décrit un procédé de fabrication du type
« stagger-bonding » d'une structure nid d'abeilles en feuillard métallique par soudage laser. L'énergie du rayon laser est concentrée dans un spot de petit diamètre qui parcourt la distance à souder en une seule fois, et la mise en pression des feuilles à souder ensemble s'exerce de part et d'autre du cordon de soudure.
Le procédé de fabrication décrit dans dans WO 94/06580 A1 ne pourrait pas s'appliquer à des feuilles de polymères thermoplastiques qui conduisent mal la chaleur et nécessitent par conséquent que l'énergie du laser soit apportée graduellement et de manière uniforme sur toute la largeur du cordon de soudure. Or, lorsqu'elles sont fines, ces feuilles peuvent former de petits plis et il est donc essentiel pour un bon contact que la mise en pression se fasse au niveau du cordon de soudure et non à côté. De plus, les moyens mis en œuvre lors de l'étirage pour la fabrication d'une structure en nid d'abeilles en aluminium qui consistent notamment en des picots métalliques ne sont pas adaptés pour étirer des feuilles de polymères thermoplastiques.
Le document WO98/06577 A1 décrit un procédé de fabrication d'un bloc de feuilles compact expansable en une structure en nid d'abeilles. Les feuilles contiennent au moins une phase thermoplastique présentant une température de ramollissement et une température de fusion nettement plus élevée. Avant la pose de chaque nouvelle feuille, on applique à la surface du bloc un ensemble de cordons parallèles d'une matière donnée. Cette matière peut être par exemple un polymère thermoplastique similaire à celui que contient la feuille. Si les cordons de matière thermoplastiques sont appliqués chauds par extrusion, il suffit de presser à froid la feuille libre sur le bloc. S'ils sont appliqués froids, un pressage à chaud permet leur adhésion à la surface du bloc et de la feuille libre. Le pressage à chaud peut avoir lieu après la dépose de chaque nouvelle feuille, où uniquement après la constitution du bloc, ce qui veut dire que tous les cordons sont ramollis simultanément. Le bloc est ensuite expansé puis, éventuellement, imprégné d'une résine thermodurcissable qui sera réticulée dans un four. Cependant, la mise en œuvre du procédé décrit dans le document WO98/065577 A1 présente une réelle complexité du fait que les thermoplastiques sont de mauvais conducteurs de la chaleur et qu'il semble alors difficile de réussir à souder de manière parfaitement répétable et avec une solidité suffisante des centaines de feuilles entre elles en pressant à chaud ou à froid des milliers de cordons pour obtenir un unique bloc.
Ainsi, les méthodes de liage de feuilles pour fabriquer une structure en nid d'abeilles dépendent de la nature du matériau des feuilles employé. Comme cela a été détaillé ci-dessus, ces méthodes nécessitent non seulement des étapes complexes ne rendant pas leur industrialisation intéressante, mais aussi elles ne donnent pas toujours des résultats très satisfaisants quant à la qualité obtenue de la structure en nid d'abeilles, à savoir l'homogénéité des cellules.
De plus, ces méthodes de liage peuvent requérir des ajouts de matières qui présentent des inconvénients tels que fragiliser la structure en nid d'abeilles ou bien empêcher le recyclage de la structure en nid d'abeilles.
Aussi, les moyens d'étirage pour des feuilles en matière thermoplastique sont souvent complexes et difficiles à mettre en œuvre d'un point de vue industriel par rapport à ceux utilisés pour l'étirage de feuilles en aluminium, et ce du fait des propriétés mécaniques différentes de ces matériaux qui doivent impérativement être prises en compte lors de l'étirage. En d'autres termes, à la différence de l'étirage de feuilles en aluminium, on se heurte en plus à des difficultés techniques lorsqu'on souhaite étirer des feuilles en matériau thermoplastique pour obtenir une structure en nid d'abeilles en matière thermoplastique selon la technique du « stagger-bonding ».
La présente invention propose de remédier à l'ensemble de ces inconvénients auxquels on est confronté lorsqu'on souhaite fabriquer une structure en nid d'abeilles, et en particulier une structure en matière thermoplastique, selon la technique du « stagger-bonding ».
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure en nid d'abeilles selon la technique du « stagger-bonding » à partir de feuilles de n'importe quel matériau thermoplastique, étanche ou poreux, qui offre la possibilité de choisir librement la dimension des cellules hexagonales et qui permet la découpe en tranches sans perte de matière, de manière à optimiser les coûts de stockage et de transport. L'invention concerne aussi une installation mettant en œuvre ledit procédé de fabrication d'une structure en nid d'abeilles.
Plus précisément, le procédé de fabrication d'une structure alvéolaire en nid d'abeilles selon l'invention comprend les étapes suivantes :
on dispose d'une première feuille d'un matériau thermoplastique contenant au moins un agent d'expansion ;
on rapporte et on soude au laser, selon une pluralité de cordons de soudure continus espacés les uns des autres, une deuxième feuille d'un matériau thermoplastique absorbant sur la première feuille, le cas échéant on rapporte et on soude au laser, selon une pluralité de cordons de soudure continus espacés les uns des autres, au moins une deuxième feuille sur la deuxième feuille qui la précède de manière à former un empilement de deuxièmes feuilles ;
on rapporte et on soude au laser, selon une pluralité de cordons de soudure continus espacés les uns des autres, sur la deuxième feuille, le cas échéant sur l'empilement de deuxièmes feuilles, une troisième feuille d'un matériau thermoplastique contenant au moins un agent d'expansion ; on forme des premières boucles entre les cordons de soudure de la première feuille avec la deuxième feuille, le cas échéant avec l'empilement de deuxièmes feuilles, par expansion du matériau thermoplastique de la première feuille ;
on forme des deuxièmes boucles entre les cordons de soudure de la troisième feuille avec la deuxième feuille, le cas échéant avec l'empilement de deuxièmes feuilles, par expansion du matériau thermoplastique de la troisième feuille ;
on dispose dans les premières boucles et deuxièmes boucles un dispositif d'étirage ;
on étire l'ensemble constitué par la première feuille, la deuxième feuille, le cas échéant l'empilement de deuxièmes feuilles, et la troisième feuille au moyen du dispositif d'étirage.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par :
« matériau thermoplastique absorbant », un matériau thermoplastique qui absorbe dans l'infrarouge proche à savoir à une longueur d'onde comprise entre 750 et 1400 nm, de préférence entre 800 et 1 100 nm ;
« agent d'expansion », un agent permettant l'accroissement du volume du matériau thermoplastique de 12 à 20 fois lorsque ledit matériau est soumis à un traitement activant l'agent d'expansion.
L'agent d'expansion est avantageusement un agent d'expansion chimique qui peut être activé par la chaleur. De manière préférée, il s'agit de l'azodicarbonamide, éventuellement mélangé à des activateurs qui abaissent sa température de décomposition. Les activateurs peuvent être des composés du zinc tels que l'oxyde de zinc (ZnO), un stéarate de zinc ou bien le benzène-sulfohydrazide ou une alpha-amidosulfone.
La structure en nid d'abeilles obtenue selon le procédé de fabrication de l'invention est parfaitement recyclable, car elle est exempte de colles.
En outre, bien qu'exempte de points de colle, la structure en nid d'abeilles n'en demeure pas moins solide et homogène, car en soudant feuille à feuille et en disposant la surface de chaque feuille dans un plan horizontal, on construit un empilement parallélépipédique compact. Cet empilement offre une résistance élevée à la compression, ce qui permet d'appliquer lors du soudage au laser une forte pression sur la feuille libre au niveau du cordon de soudure et ainsi de garantir des soudures aussi solides que le matériau constitutif.
De plus, la structure en nid d'abeilles peut être stockée et transportée sous sa forme compacte, c'est-à-dire sous la forme d'un bloc constitué des feuilles planes soudées entre elles, où sous la forme de tranches découpées dans ce bloc.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, le procédé peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison entre elles :
Afin d'obtenir une structure en nid d'abeilles avec des cellules parfaitement identiques entre elles et de forme hexagonale, il est préconisé de réaliser le soudage au laser selon des cordons de soudure continus, régulièrement espacés et parallèles entre eux.
L'agent d'expansion est de manière préférée l'azodicarbonamide. On peut alors former des premières boucles et des deuxièmes boucles en chauffant respectivement la première feuille et la troisième feuille à la température de décomposition de l'agent d'expansion qui est de préférence de l'azodicarbonamide. Cette température peut être abaissée en ajoutant à l'azodicarbonamide un activateur de décomposition.
De manière avantageuse, le matériau thermoplastique de la première feuille et de la troisième feuille comprend au moins un polymère tel qu'une polyoléfine, de préférence choisi dans le groupe constitué par le polypropylène, le polyéthylène et l'éthylène vinyle acétate (EVA). De plus, selon des modes de réalisation avantageux de l'invention, le matériau thermoplastique de la deuxième feuille comprend au moins un polymère choisi dans le groupe constitué par le polypropylène, le polyéthylène, les polyamides, les polyesters, les polystyrènes, le polycarbonate, l'acrylonitrile butadiène styrène, le polyétherimide, les polyéthersulfones, le polysulfure de phénylène et le polyéther éther cétone et contient en outre du noir de carbone.
De manière préférée, on soude au laser au moyen d'un dispositif de soudage qui comprend une pluralité de têtes laser générant chacune un faisceau laser de forme rectangulaire qui est uniforme ou à profil énergétique en forme de "M".
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'étirage comprend une pluralité d'étriers et une pluralité de tiges en U. Les tiges en U sont agencées de manière à pénétrer dans les premières boucles et deuxièmes boucles et à les relier aux étriers.
Le dispositif d'étirage peut comprendre un moyen de diffusion d'air chaud.
La structure alvéolaire en nid d'abeilles obtenue selon le procédé de fabrication de l'invention peut présenter une densité inférieure à 50 kg/m3, de préférence inférieure à 30 kg/m3, avec des alvéoles hexagonales de maille comprise entre 3 et 50 mm.
Avec le procédé de fabrication selon l'invention, on peut découper la structure alvéolaire en nid d'abeilles, par exemple avec un massicot, en des tranches dont l'épaisseur est d'au moins 1 mm, de préférence entre 1 et 5 mm, et dont la tolérance d'épaisseur est inférieure à +/- 0,2 mm.
Ces caractéristiques techniques sont tout à fait avantageuses pour les applications auxquelles on destine les structures en nid d'abeille ainsi obtenues, et tout particulièrement pour la fabrication de panneaux sandwich avec des moules par thermocompression.
L'invention a aussi pour objet une installation pour la mise en œuvre du procédé de fabrication d'une structure en nid d'abeilles tel que décrit ci-dessus, ladite installation comprend :
des moyens de découpe des premières feuilles, deuxièmes feuilles et troisièmes feuilles ;
un dispositif d'empilement des premières feuilles, deuxièmes feuilles et troisièmes feuilles ; un dispositif de soudage au laser, optionnellement équipé de moyens de pression ;
un dispositif d'expansion de l'agent d'expansion du matériau thermoplastique de la première feuille et de la troisième feuille ; - un dispositif d'étirage, optionnellement équipé d'un moyen de diffusion d'air chaud.
De manière avantageuse, le dispositif d'étirage comprend une pluralité d'étriers, une pluralité de tiges en U, lesdites tiges en U étant agencées de manière à pénétrer dans les premières boucles et les deuxièmes boucles et à les relier aux étriers.
Selon des modes de réalisation de l'installation, elle peut en outre comporter les caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison entre elles :
le dispositif d'expansion comprend un four à air chaud, par exemple sous la forme d'une enceinte équipée de résistances chauffantes qui diffusent un air chaud dans l'enceinte. le dispositif de soudage comprend une pluralité de têtes laser générant chacune un faisceau laser de forme rectangulaire qui est uniforme ou à profil énergétique en "M".
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre d'un procédé de fabrication d'une structure en nids d'abeilles conforme à l'invention et d'une installation de mise en œuvre de ce procédé, donnée uniquement à titre d'exemple et en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue de face schématique en coupe longitudinale d'une partie d'une installation de fabrication d'une structure en nid d'abeilles selon l'invention.
la figure 2 est une vue de dessus de l'installation représentée à la figure 1 .
- les figures 3a à 3f représentent des exemples de réalisation de cellules hexagonales de différentes dimensions,
la figure 4a est une vue schématique de côté d'une tête de soudage laser et de ses roues presseuses. la figure 4b est une vue schématique de face en coupe partielle de la tête de soudage de la figure 4a.
la figure 5 représente une vue schématique d'un dispositif d'expansion qui peut être utilisé dans le cadre de l'invention.
- la figure 6 représente une vue schématique d'une tranche d'une structure en nid d'abeilles obtenue selon le procédé de fabrication de l'invention.
la figure 7 est une coupe transversale schématique d'une partie d'un dispositif d'étirage qui peut être utilisé dans le cadre de l'invention.
la figure 8 est une coupe transversale schématique du dispositif d'étirage intégrant un dispositif de chauffage de la tranche de nid d'abeilles compacte.
la figure 9 est une vue schématique d'une partie d'un dispositif d'étirage selon un deuxième mode de réalisation.
la figure 10 est une vue schématique de dessus d'une partie du dispositif d'étirage représenté à la figure 9.
Sur la figure 1 est représentée une bande 100 d'un matériau thermoplastique absorbant qui est déroulé à partir d'une bobine 2. Cette bande 100 a avantageusement une épaisseur comprise entre 0,1 et 1 mm.
Le matériau thermoplastique de la bande 100 peut être choisi dans le groupe constitué par les polyoléfines (polypropylène, polyéthylène), les polyamides, les polyesters, les polystyrènes, le polycarbonate, l'acrylonitrile butadiène styrène, le polyétherimide, les polyéthersulfones, le polysulfure de phénylène et le polyéther éther cétone.
De manière avantageuse, ledit matériau est renforcé par des fibres telles que par exemple et de manière non exhaustive les fibres de verre, de carbone ou les fibres aramides, de manière à accroître les performances thermomécaniques de la structure en nid d'abeilles. Cela procure l'avantage d'obtenir des structures en nid d'abeilles selon le procédé de fabrication de l'invention exhibant des propriétés phydiques particulièrement avantageuses pour les applications techniques auxquelles elles sont destinées. Selon des modes de réalisation de l'invention, ce matériau thermoplastique peut en outre être étanche ou au contraire poreux à l'air, ou avoir été perforé avec de fines aiguilles par une machine. Des tels matériaux perforés sont particulièrement appropriés et recherchés dans les domaines techniques tels que ceux de l'aéronautique et du spatial. Ainsi, la structure en nid d'abeilles obtenue selon le procédé de fabrication selon l'invention est particulièrement adéquate et avantageuse pour ces domaines techniques.
La plupart des polymères thermoplastiques n'absorbent pas ou très peu le rayonnement électromagnétique dans l'intervalle de longueur d'onde 750 à 1400 nm. Pour les rendre absorbants, il suffit d'ajouter une charge qui entre en vibration à la longueur d'onde du laser lorsque le polymère est éclairé par une source laser. La vibration extrêmement rapide des molécules de charge provoque par frottement au sein du matériau thermoplastique une élévation de température.
La charge absorbante la plus utilisée est le noir de carbone, car elle peut être utilisée dans une large bande spectrale qui couvre le visible et tout l'infrarouge proche. Cependant, le noir de carbone peut présenter l'inconvénient d'opacifier et de colorer le matériau thermoplastique en noir. Les alternatives au noir de carbone sont l'Iriodin® de MERCK, le Clearweld® de GENTEX Corp. et les Lumogen® de BASF qui ne colorent que très faiblement le matériau thermoplastique qui conserve ainsi sa transparence dans le spectre visible.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le matériau thermoplastique absorbant de la bande 100 est sous la forme d'un bicouches, à savoir qu'il est constitué d'une couche supérieure transparente dans l'infrarouge proche et d'une couche inférieure absorbante dans l'infrarouge proche de plus faible épaisseur que la couche supérieure.
Lorsque le matériau thermoplastique est bicouches, on soude au laser par transparence. Plus précisément, lorsque le rayon laser traverse la couche transparente, son énergie électromagnétique est convertie en chaleur dans la couche absorbante. Cette couche absorbante devient pâteuse et, par conduction thermique, provoque également le ramollissement de la surface de l'autre deuxième feuille bicouches sur laquelle elle s'appuie. En exerçant une pression localement importante sur les zones pâteuses en contact, on provoque une interpénétration de matière entre deux feuilles à souder. Après refroidissement, on obtient une soudure de bonne qualité. Idéalement la couche absorbante doit être très fine, de manière à générer la chaleur au plus près de l'interface entre les deux feuilles que l'on soude. Il est obligatoire d'absorber presque totalement le rayonnement électromagnétique dans la couche absorbante de la première feuille. D'une part pour obtenir le meilleur rendement énergétique, et d'autre part pour empêcher que suffisamment d'énergie électromagnétique atteigne la couche absorbante de la feuille suivante, ce qui aurait pour conséquence fâcheuse de souder trois feuilles ensemble.
Cela impose cependant une proportion de charge, telle que le noir de carbone, d'autant plus grande que la couche absorbante est fine, et ce au détriment de la résistance mécanique. Cependant, en dessous de 10 microns d'épaisseur, la couche absorbante risque de se déchirer lors de l'étape d'étirage du procédé de fabrication selon l'invention.
C'est pourquoi, dans le cas de l'emploi de noir de carbone, il est prudent de choisir l'épaisseur de la couche absorbante autour de 20 microns. Pour que l'absorption du rayonnement laser soit supérieure à 95%, la proportion de noir de carbone en masse dans la couche absorbante doit alors être de 5% minimum. Outre la quantité, la finesse des particules et surtout l'uniformité de la dispersion du noir de carbone dans la couche absorbante sont importantes.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le matériau thermoplastique absorbant de la bande 100 est sous la forme d'un tricouches.
Des feuilles bicouches et tricouches de polypropylène (PP), de polyéthylène (PE), de polystyrène (PS), et de polyéthylène téréphtalate amorphe (APET) d'épaisseurs d'au moins 150 microns sont couramment fabriquées de manière industrielle. Il est possible de réaliser par coextrusion une feuille bicouches à partir de polymères thermoplastique tels que ceux précités avec une épaisseur d'au moins 150 microns. Cela est parfaitement approprié à la gamme de densités d'un nid d'abeilles en maille 8 mm que l'on peut obtenir avec le procédé de fabrication selon la présente invention.
Par contre, les machines de coextrusion permettent rarement de produire de manière maîtrisée une couche de 20 microns. C'est pourquoi, dans le cadre de la présente invention, on peut utiliser un bicouches constitué d'une couche supérieure d'une épaisseur de l'ordre de 150 microns d'un polymère tel que choisi parmi le PP, le PE, le PS ou ΑΡΕΤ et d'une couche inférieure d'une épaisseur de l'ordre de 40 microns d'un polymère tel que choisi parmi le PP, le PE, le PS ou ΑΡΕΤ qui comprend en outre un taux de charge telle que du noir de carbone de l'ordre de 2,5% en poids.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le matériau thermoplastique absorbant de la bande 100 est un monocouche en un matériau thermoplastique qui peut être 100% recyclé et qui contient du noir de carbone. Il peut en outre contenir des fibres de renfort. Selon ce mode de réalisation, on soude par conduction, à savoir qu'au cours du déplacement du segment laser, la température va s'élever progressivement jusqu'à dépasser le point de fusion du matériau thermoplastique. Cette élévation progressive de la température se communique à la feuille du dessous, et il suffit d'appliquer rapidement une forte pression sur la ligne de soudure puis de laisser refroidir.
Selon la température de ramollissement du matériau thermoplastique, le procédé selon ce mode de réalisation est très bien adapté pour souder des feuilles jusqu'à 300 microns d'épaisseur.
A titre d'exemple, une feuille de polyester (APET) monocouche de 200 microns contenant 1 % de noir de carbone peut être soudée sur une autre même feuille de polyester (APET) monocouche qui est elle-même déjà soudée sur l'empilement de deuxièmes feuilles, et ce à une vitesse comprise entre 1 10 et 150 mm par seconde, avec un segment laser de 120 W répartis sur une surface de 150 mm de long et 3 mm de large, sans que la soudure ne se propage plus en dessous de cette feuille supérieure de l'empilement de deuxièmes feuilles. Un film de PEEK de 150 microns est soudé dans les mêmes conditions à une vitesse comprise entre 90 et 100 mm par seconde.
Tel que représenté aux figures 1 et 2, la bobine 2 déroule une bande 100 d'un bicouches constitué d'une couche supérieure d'une épaisseur de 150 microns de PP et d'une couche inférieure d'une épaisseur de 40 microns PP qui comprend en outre un taux de noir de carbone de 2,5% en poids.
Tel que représenté aux figures 1 et 2, la bande 100 est déroulée en position horizontale par un moteur agissant directement sur le mandrin de la bobine 2 et par un jeu de cylindres caoutchoutés 3.
Un massicot 5 (il peut aussi s'agir d'un fil chaud) découpe, sous le contrôle d'une roue de mesure de défilement 4, la bande 100 en des deuxièmes feuilles 101 qui une fois disposées et soudées entre elles vont constituer un empilement 1 10 de deuxièmes feuilles 101 . Selon les dimensions souhaitées de la structure en nid d'abeilles, la longueur de la deuxième feuille 101 peut être ajustée.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention non représenté, il peut être prévu un dispositif fournissant selon un ordre prédéterminé des deuxièmes feuilles 101 de matériaux thermoplastiques absorbants de mêmes dimensions mais par exemples de natures et/ou de couleurs différentes ou bien avec des micro-perforations localisées.
La deuxième feuille 101 découpée par le massicot 5 est ensuite transférée au moyen de cylindres caoutchoutés 6 à un emplacement déterminé d'une table horizontale 7 pour être ensuite transférée à l'aide d'un dispositif de transfert à la portée de l'homme du métier sur la pile de deuxièmes feuilles 101 en formation. Un système de butées escamotables permet de superposer parfaitement la deuxième feuille 101 sur l'empilement 1 10 de deuxièmes feuilles 101 .
L'empilement 1 10 est supporté par un plateau 8 qui peut se déplacer verticalement en étant guidé par des colonnes 9 et sous l'action du vérin électrique 10. Ainsi, le plateau 8 dont la surface supérieure est en début de fabrication de la structure en nid d'abeilles dans le même plan que la table 7 descend au fur et à mesure de l'accroissement de l'empilement 1 10 de deuxièmes feuilles 101 . De manière avantageuse, il peut être prévu que lorsque la surface de l'empilement 1 10 dépasse celle de la table 7 d'une valeur limite, un capteur déclenche la mise en route du vérin électrique 10 et de ce fait la descente du plateau 8 d'une valeur déterminée.
Il est à noter que préalablement à l'empilement de deuxièmes feuilles 101 , avait été disposée sur le revêtement antidérapant (non représenté) du plateau 8 une première feuille 38 d'un matériau thermoplastique qui contient au moins un agent d'expansion.
Le revêtement antidérapant est avantageusement de couleur blanche coloré avec de l'oxyde de titane qui n'absorbe pas le rayonnement laser dans l'infrarouge proche mais qui le diffuse dans son volume sans le laisser sortir.
Le matériau thermoplastique de la première feuille 38 peut être une polyoléfine telle que choisie dans le groupe constitué par le polypropylène, le polyéthylène et l'éthyl vinyl acétate. Le matériau thermoplastique de la première feuille 38 doit être compatible avec le matériau de la deuxième feuille 101 pour que ces feuilles puissent être soudées entre elles.
Le taux d'agent d'expansion est avantageusement compris entre 5 et 15%, de préférence entre 7 et 1 1 %, en poids du matériau thermoplastique dont est constituée la première feuille 38.
L'agent d'expansion est avantageusement un agent d'expansion chimique, de préférence l'azodicarbonamide.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la première feuille 38 a été obtenue par extrusion d'un matériau thermoplastique. De plus, lors de l'extrusion un agent d'expansion, de préférence un agent d'expansion chimique, a été mélangé sous la forme solide au matériau thermoplastique. A titre d'exemple, si l'on souhaite fabriquer des structures en nid d'abeilles en polypropylène, on ajoute de l'azodicarbonamide (de manière préférée qui est mélangé à des activateurs qui le décompose à 160°C) comme agent d'expansion chimique à des granulés de polyéthylène pour obtenir une feuille compacte de 300 microns à 1 mm. La feuille a ensuite été réticulée, de manière à former un réseau tridimensionnel insoluble et infusible. De manière avantageuse, le taux de réticulation est supérieur à 50%. Il s'agit du taux de gel insoluble. Par « taux de gel insoluble », on entend le taux de gel insoluble lors d'une extraction par le solvant xylène à chaud.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le matériau de la première feuille 38 peut être aussi absorbant dans l'infrarouge proche, par exemple s'il contient en outre une charge telle que du noir de carbone.
Le matériau de la première feuille 38 peut être indifféremment absorbant dans l'infra-rouge proche ou transparent puisque c'est la deuxième feuille 101 posée sur la première feuille 38 qui convertit l'énergie du laser en chaleur.
Dans un mode de réalisation de l'invention où la deuxième feuille 101 n'est pas soudable au laser avec la première feuille 38, on peut contrecoller (par exemple avec une colle polyuréthanne bicomposant) un film noir absorbant (à savoir qu'il contient par exemple du noir de carbone) de même nature que le matériau de la première feuille 38 sur une feuille transparente constituée du matériau thermoplastique de la deuxième feuille 101 . Un format de ce complexe sera utilisé en intercalaire entre la première feuille 38 et l'empilement 1 10 de deuxièmes feuilles 101 , sa face noire étant mise en contact avec la première feuille. Lorsque le nombre requis de deuxièmes feuilles 101 a été assemblé par soudage au laser pour constituer un empilement 1 10, une troisième feuille 380 d'un matériau thermoplastique contenant au moins un agent d'expansion est disposée et soudée sur l'empilement 1 10 de deuxièmes feuilles 101 . En d'autres termes, elle est soudée avec la dernière deuxième feuille 101 de l'empilement 1 10.
De manière tout à fait avantageuse, le matériau thermoplastique de la troisième feuille 380 n'est pas absorbant pour éviter que de la chaleur ne soit générée à sa surface sous l'effet de l'éclairement laser lors du soudage. Aussi, cela procure l'avantage de pouvoir souder par transparence, ce qui est plus rapide qu'un soudage par conduction.
Dans un mode de réalisation de l'invention où la troisième feuille 380 n'est pas soudable au laser à la dernière deuxième feuille 101 , l'intercalaire utilisé entre la dernière deuxième feuille 101 de l'empilement 1 10 et la troisième feuille 380 est un complexe composé d'un mince film noir du matériau thermoplastique constitutif des deuxièmes feuilles 101 et d'un mince film noir du matériau constitutif de la troisième feuille 380. Ainsi, on peut souder au travers de la troisième feuille 380 sur la dernière deuxième feuille 101 de l'empilement 1 10 grâce à la chaleur dégagée par les deux films noirs contrecollés.
Sur les figures 1 et 2, l'axe de l'abscisse X est parallèle à la longueur de la deuxième feuille 101 et l'axe de l'ordonnée Y est parallèle à la largeur de la deuxième feuille 101 .
Un ensemble de moteurs linéaires, constitués de deux moteurs identiques 1 1 a et 1 1 b effectuent des mouvements parfaitement synchronisés et déplacent selon l'axe Y un troisième moteur linéaire 12. Les moteurs linéaires sont des servomoteurs synchrones sans balais. Ils fonctionnent sur le même principe que les moteurs rotatifs mais sont ouverts et déroulés à plat. L'interaction électromagnétique entre un assemblage de bobines (ensemble primaire) et une voie d'aimants permanents (ensemble secondaire) transforme l'énergie électrique en une énergie mécanique linéaire avec une grande efficacité. L'ensemble primaire mobile est le chariot 13. Ces moteurs sont particulièrement avantageux pour l'invention, car la précision de positionnement du chariot 13 est de l'ordre de 10 microns. Cela veut dire que le chariot 13 déplace selon l'axe X un ensemble de têtes de soudage laser 14 en garantissant que les cordons de soudure seront, sur une même deuxième feuille 101 ou une troisième feuille 380, distants de la valeur souhaitée avec une tolérance de +/- 10 microns, mais aussi que les cordons de soudure seront alignés dans toute l'épaisseur de l'empilement 1 10 avec la même précision de +/- 10 microns. C'est une caractéristique technique importante pour la formation, lors de l'étirage, de cellules hexagonales régulières et parfaitement alignées.
En effet, avantageusement, le soudage au laser est réalisé au moyen d'un dispositif de soudage qui comprend une pluralité de têtes de soudage laser 14 parallèles. Pour la clarté de la figure 1 , seules 6 têtes de soudage laser ont été représentées, dont les dimensions ont été exagérées de manière à les rendre visibles. Dans la réalité le chariot 13 peut déplacer par exemple jusqu'à 31 têtes de soudage laser sur une course utile de 1680 mm. Cette longueur est préférée, car elle correspond à une largeur standard des machines de découpe.
De plus, le dispositif de soudage peut en outre comporter au moins une roue presseuse.
Préférentiellement, chaque tête de soudage laser 14 génère un segment de lumière uniforme. On définit de la manière suivante un éclairement uniforme d'une surface supérieure à 10 millimètres carrés : Soit une surface élémentaire de 1 millimètre carré. L'éclairement est dit uniforme sur la surface supérieure à 10 millimètres carrés si l'écart entre la puissance optique moyenne reçue par cette surface supérieure à 10 millimètres carrés et la puissance reçue par n'importe laquelle de ses surfaces élémentaires n'excède pas 10 %.
Lors de la fabrication d'une structure en nid d'abeilles compacte, la difficulté consiste à réaliser des cordons de soudure rectilignes aussi résistants à la rupture que la feuille elle-même qui, par nature, est souple, tout en préservant la planéité de la feuille que l'on vient de souder. Si des déformations apparaissent à la surface de l'empilement 1 10, les têtes de soudage laser 14 peuvent ne pas porter à plat sur la deuxième feuille 101 à souder, ce qui est préjudiciable à la qualité des cordons de soudure. D'autre part ces déformations peuvent s'accumuler dans l'épaisseur de l'empilement 1 10. La non planéité des feuilles à souder et la faiblesse de certaines des soudures qui les lient peuvent rendre impossible l'étirage à chaud d'une tranche de ce bloc.
C'est pourquoi, dans le cadre de la présente invention, il est avantageux de générer un faisceau laser uniforme de forme rectangulaire à la surface de la feuille que l'on soude. En effet, à puissance égale, on soude plus vite avec un seul passage d'un segment laser qu'avec un spot circulaire en balayage, car l'élévation de température est continue dans le premier cas et en dents de scie dans le deuxième cas.
A titre indicatif, le faisceau laser de forme rectangulaire ("le segment laser") peut avoir avantageusement une longueur comprise entre 8 cm et 15 cm (plus précisément de l'ordre de 8 cm, lorsqu'on soude par transparence et de l'ordre de 15 cm lorsqu'on soude par conduction) et une largeur de 3 mm.
Bien entendu, si nécessaire, l'homme du métier pourrait tout à fait décider de s'écarter de ces valeurs de longueur de faisceau laser précisées à titre indicatif, l'essentiel étant de produire un faisceau uniforme très allongé.
De plus, lorsqu'on soude par transparence, il est aussi avantageux d'utiliser un segment laser uniforme transmis par un guide de lumière en matière plastique. L'une des conditions essentielles à un soudage de qualité est ainsi garantie : la mise en contact des deux feuilles à souder au moment de l'irradiation. La largeur du cordon de soudure est alors égale à la largeur du guide de lumière. Aussi, le guide de lumière peut, selon sa nature, refroidir la surface de la feuille supérieure à souder et éviter ainsi une dégradation de l'état de surface. Ce qui est très important lorsque l'on veut souder ensemble plusieurs centaines de feuilles pour constituer un empilement.
La matière utilisée pour usiner le guide est de préférence un polymère thermoplastique amorphe naturellement très transparent dans l'infrarouge proche. Un guide de lumière en polycarbonate donne d'excellents résultats, mais si la température à la surface de la feuille à souder dépasse 120°C, il faut utiliser un polymère à plus haute résistance en température tel que le polyétherimide (jusqu'à 180°C) ou même un polyimide thermoplastique tel que l'Extem® de SABIC qui supporte 250°C.
Le polycarbonate et le polyétherimide ont un faible coefficient de conductivité thermique, de l'ordre de 0,2 W/m.K à 20°C. Ils ne peuvent donc pas drainer la chaleur qui remonte de l'interface entre les deuxièmes feuilles à souder jusqu'à la surface de la feuille supérieure à souder.
De plus, compte tenu de la pression exercée par le guide de lumière sur la feuille au niveau des zones ramollies, il est possible que le guide de lumière laisse une marque en creux. Le marquage est d'autant plus prononcé que la couche transparente est fine et la quantité d'énergie pour provoquer le ramollissement de la couche absorbante est élevée. Il est possible d'éviter le marquage de la surface de la feuille au point d'obtenir une soudure presque invisible de l'extérieur. Pour ce faire, il faut maintenir la température de la surface de la feuille à souder à une valeur très inférieure à sa température de déformation. On réalise un drainage calorique très efficace en remplaçant le guide de lumière en matière thermoplastique amorphe par une matière minérale également très transparente mais conductrice de la chaleur. Cela peut être par exemple un saphir synthétique dont le coefficient de conductivité thermique est de 40 W/m.K à 20°C (200 fois plus que le polycarbonate). Le cordon de soudure obtenu est aussi résistant en traction que la feuille elle-même, et la surface de la feuille est parfaitement plane et lisse. Le drainage calorique absorbe une partie de la chaleur créée dans la couche absorbante par le segment laser et de ce fait il impose à puissance égale de souder moins rapidement qu'avec un guide de lumière en matière plastique.
Le choix entre polycarbonate ou polyétherimide d'un côté ou saphir synthétique de l'autre est à la portée de l'homme du métier.
Un compromis entre ces deux alternatives consiste à utiliser du verre optique dont le coefficient de conduction thermique est de 1 ,1 W/m.K à 20°C, ou du quartz (1 ,4 W/m.K à 20°C).
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'éclairement est uniforme selon l'axe Y, et présente selon l'axe X un profil parabolique avec un axe de symétrie parallèle à l'axe Y. La valeur d'éclairement est maximum aux extrémités du petit côté du segment et décline progressivement pour atteindre au centre du segment une valeur inférieure d'environ 15% au maximum. Un tel profil énergétique est dit "en forme de M".
Avantageusement le segment de lumière laser est généré par des matrices de diodes VCSEL (« Vertical Cavity Surface Emitting Laser » traduit par « laser à cavité verticale émettant par la surface ») qui émettent dans l'infrarouge proche, à savoir à une longueur d'onde comprise entre environ 750 et 1400 nm, et préférablement entre 800 et 1 100 nm.
Tout aussi avantageusement, le segment de lumière laser peut être généré par une diode ou plusieurs diodes émettant par la tranche ("edge emitter") qui émettent dans l'infrarouge proche, à savoir à une longueur d'onde comprise entre environ 750 et 1400 nm, et préférablement entre 800 et 1 100 nm. Au moins une lentille réfractive peut être utilisée pour donner au faisceau laser un profil énergétique uniforme ou en forme de"M" tel que décrit ci-dessus.
Lorsque le soudage est effectué par conduction, les têtes de soudage laser sont dépourvues de guide de lumière et projettent directement un faisceau à la surface de la feuille à souder.
Il est à noter que la technique du soudage laser et le dispositif de soudager laser qui peut être utilisé dans le cadre de la présente invention sont parfaitement à la portée de l'homme du métier. A titre d'exemple, la demande internationale WO 201 1/1 17504 A1 décrit des modes de réalisation de soudage laser et des dispositifs de soudage laser qui sont appropriés pour la mise en œuvre du procédé de fabrication selon la présente invention.
La figure 2 permet de mieux comprendre comment des lignes de soudure sont générées pour souder entre elles deux deuxièmes feuilles 101 . Le chariot 13 commence le cycle d'assemblage d'une deuxième feuille 101 dite « libre » puisque pas encore soudée sur l'empilement 1 10 de deuxièmes feuilles 101 , en partant d'une extrémité de la course du moteur linéaire 12.
L'ensemble du processus de fabrication de l'empilement 1 10 est avantageusement piloté par un ordinateur. Les données suivantes doivent être intégrées :
l'épaisseur de la deuxième feuille 101 ,
la maille de la cellule hexagonale régulière,
la largeur et la longueur de la plaque de nid d'abeilles après expansion. Un logiciel calcule alors le nombre de deuxièmes feuilles 101 nécessaires à assembler, la longueur de découpe de ces deuxièmes feuilles 101 , l'écartement entre les têtes de soudage laser 14 (qui est réalisé de manière préférée manuellement), la position de départ du chariot 13 et le parcours de l'ensemble de têtes de soudage laser 14.
Lorsque le cycle est lancé, les moteurs 1 1 a et 1 1 b réalisent un premier ensemble de cordons de soudure parallèles en transportant les têtes de soudage laser 14 en fonctionnement sur toute la largeur de la deuxième feuille 101 (à savoir selon l'axe Y) jusqu'à sortir complètement à l'extérieur de cette deuxième feuille 101 , dans une zone 15a où l'alimentation électrique des sources laser est coupée. Cette zone 15a, comme la zone 15b qui lui est symétrique, comporte un plan incliné qui part de la surface du bloc pour rejoindre une zone plane située plus bas que la position basse des têtes de soudage laser 14 et des roues. Les têtes de soudage laser 14 et les roues presseuses du chariot 13 qui sont entièrement contenues dans la zone 15a ne sont pas en appui mais simplement maintenues "suspendues dans l'air" par le chariot 13. Le programme informatique commande alors au chariot 13 de se rendre à son point d'abscisse suivante, et l'ensemble des têtes de soudage laser 14 est déplacé selon l'axe X sans frottement. L'alimentation des sources laser est rétablie. Les moteurs 1 1 a et 1 1 b déplacent alors le moteur 12 et l'ensemble des têtes de soudage laser 14 de nouveau selon l'axe Y, dans le sens opposé au déplacement précédent pour la réalisation d'une nouvelle série de cordons de soudure parallèles. Dans la zone 15b les têtes de soudage laser 14 ne sont plus alimentées et elles peuvent se déplacer selon l'axe X, de même que les roues presseuses du chariot, et ce sans frottement. Le chariot 13 rejoint une nouvelle abscisse X et le cycle précédent recommence jusqu'à ce que le chariot atteigne sa dernière abscisse. Le programme le renvoie à sa nouvelle position de départ avec une vitesse des moteurs linéaires qui peut atteindre 3 mètres par seconde, ce qui veut dire que le retour est très rapide. Simultanément, si le capteur d'épaisseur du bloc donne un signal, le vérin électrique 10 fait descendre le plateau 8 d'une valeur préétablie. Une deuxième feuille 101 est placée sur l'empilement 1 10 et le cycle de fabrication reprend tel que détaillé ci-dessus. La nouvelle position de départ est telle que les nouveaux cordons de soudure se trouveront exactement au milieu des cordons précédemment réalisés. En d'autres termes, les têtes de soudage laser 14 se décalent selon l'axe X de manière à ce que les segments laser passent au milieu des cordons de soudure réalisés sur la deuxième feuille 101 précédente.
Avantageusement, le soudage selon des lignes parallèles et régulièrement espacées du format sur le bloc est effectué en au moins deux passages de l'ensemble des têtes de soudage laser 14. Cela permet de limiter le nombre de ces têtes de soudage laser 14 et de maintenir suffisamment d'espace sur l'axe X pour pouvoir modifier l'écartement entre les lignes de soudure et ainsi la dimension des cellules hexagonales.
Les figures 3a à 3f illustrent quelques exemples de réalisation de cellules hexagonales de différentes tailles. La figure 3a correspond au cas le plus simple. Les cordons de soudure sont continus et parallèles selon une ligne L et apparaissent sous la forme de bandes sombres. L'espacement entre deux cordons de soudure voisins est égal à trois fois la largeur du cordon de soudure. Et cette largeur de cordon correspond à la largeur du segment laser. Lors de l'étirage, la deuxième feuille 101 se pliera naturellement le long des lignes extérieures des cordons de soudure pour former des cellules hexagonales.
Dans la configuration de la fig. 3a, on obtient la plus petite dimension de cellule possible, celle dont le côté est égal à la largeur du segment laser, tel que cela est représenté à la figure 3b.
Pour obtenir des cellules deux fois plus grandes, telles que représentées à la figure 3d, il suffit de programmer le parcours des têtes de soudage laser 14 de telle façon que des séries de deux cordons de soudure jointifs soient réalisées avec un espacement égal à 6 fois la largeur du cordon de soudure, c'est-à-dire 6 fois la largeur du segment laser.
Enfin, si l'on veut obtenir des cellules trois fois plus grandes que la plus petite dimension possible, il faut souder les côtés de l'hexagone qui sont communs à d'autres cellules par seulement deux cordons qui marquent les extrémités de ce côté (fig. 3e et 3f). L'espace non soudé entre ces deux cordons de soudure est suffisamment faible, et la feuille est suffisamment rigide, pour que lors de l'étirage, des cellules hexagonales se forment naturellement. Les dimensions de cellule intermédiaires entre la configuration selon la figure 3a et la configuration selon la figure 3e sont obtenues en réalisant des chevauchements partiels des cordons de soudure.
La figure 4a représente une tête de soudage laser par transparence 16 et ses deux roues presseuses 17a et 17b. Deux douilles à billes 18a et 18b lui permettent de coulisser verticalement le long de tiges métalliques encastrées dans une platine 19. Cette platine est fixée sur une plaque métallique rigide et plane 20 solidaire du chariot 13, par des vis papillons 21 a et 21 b. Les douilles 22a et 22b laissent suffisamment de course à la tête de soudage 16 pour exercer sur le format de feuille 101 une pression égale à son propre poids divisé par la surface du guide de lumière 23. Cette pression de la tête de soudage 16 lors de l'irradiation laser contribue notablement à l'interpénétration de matières fluidifiées entre les feuilles à souder. L'expérience montre que si la masse de la tête est de 5 kg elle crée à la surface de la feuille 101 au niveau d'un guide de lumière de dimension 80 x 3 mm une pression de 2 bars (0,2 MPa) qui suffit pour garantir la qualité de la soudure, sans qu'il soit nécessaire d'exercer une pression supplémentaire immédiatement après le passage du segment laser. Dans la pratique, on choisit cependant de concevoir des têtes légères, de masse inférieure à 2,5 kg, pour limiter la charge embarquée sur le chariot 13. Les roues presseuses 17a et 17b sont donc nécessaires. Leur largeur est légèrement supérieure à celle du guide de lumière 23. La roue qui est située derrière la tête laser dans le sens du défilement a donc pour utilité d'exercer une pression sur les zones ramollies en contact des feuilles à souder. La roue qui est située devant la tête de soudage 16 dans le sens du défilement remplit deux fonctions :
d'une part, elle « pince » la deuxième feuille dite « libre » 101 sur l'empilement 1 10 au moment où la tête de soudage 16 quitte la zone 15a ou 15b, et évite ainsi que le guide de lumière 23 ne pousse devant lui la deuxième feuille dite « libre » 101 au lieu de monter dessus.
d'autre part, la roue avant chasse les plis susceptibles de se former lorsque la feuille est très fine, et elle garantit au guide de lumière 23 une avancée sur une surface plane.
La pression exercée par les roues 17a et 17b est ajustable grâce à deux ressorts 24a et 24b, dont le taux de compression dépend de la position des douilles 25a et 25b. Les douilles 26a et 26b, comme les douilles 22a et 22b, limitent respectivement la descente des roues 17a et 17b et de la tête de soudage 16, de telle sorte que lorsqu'elles se trouvent dans les zones 15a et 15b elles ne soient plus en contact avec la table 7. Le chariot 13 peut alors se déplacer selon l'axe X sans frottement et sans risque d'endommager les roues et la tête de soudage 16.
La figure 4b montre que la tête de soudage 16 est reliée aux douilles à billes 18a et 18b au travers d'une suspension constituée de deux diabolos en caoutchouc 27a et 27b. Montés en vis-à-vis et en partie basse de la tête de soudage 16, ils opposent une résistance modérée à une rotation selon l'axe X mais en revanche une forte résistance à une rotation selon l'axe Y. Ainsi, cela permet le tangage de la tête de soudage 16, de manière à garantir que le guide de lumière 23 soit bien à plat sur la deuxième feuille 101 , et l'on empêche le roulis. La coupe partielle A-A permet de comprendre comment on peut choisir librement la position selon l'axe X de la platine 19 sur la plaque 20. Dans cette plaque 20, on a réalisé de part et d'autre du chariot 13 deux rangées de perçages régulièrement espacés. La platine 19 comporte une saignée parallèle à l'axe X qui permet de la fixer rapidement à la plaque 20 au moyen de quatre vis papillons 21 a, 21 b. Lors d'un changement de taille de cellule, l'ordinateur calcule l'écartement entre les guides de lumières 23 des différentes têtes de soudage 16 montées sur le chariot 13. La première tête de soudage laser est fixe, et une plaque étalon dont la largeur correspond à l'écartement souhaité est mise en appui le long du guide de lumière 23 de cette première tête laser. La deuxième tête de soudage laser est déplacée le long de l'axe X de manière à ce que son guide de lumière 23 vienne en contact de toute sa longueur avec l'autre extrémité de la plaque étalon. La deuxième tête est alors vissée en position et la même opération recommence avec le troisième tête, puis avec toutes les suivantes.
Le bloc compact constitué de la première feuille 38, de la troisième feuille
380 et de l'empilement 1 10 de deuxièmes feuilles 101 est coupé en tranches par un massicot d'imprimerie avec une précision inférieure à +/- 0,2 mm. Outre sa grande précision ce procédé présente l'avantage de ne générer aucune perte de matière.
La figure 5 représente un dispositif d'expansion du matériau thermoplastique dont sont constituées la première feuille 38 et la troisième feuille 380 en vue de former des boucles 36,360. L'ensemble constitué par la première feuille 38, l'empilement 1 10 de deuxièmes feuilles 101 et la troisième feuille 380 est introduit en position verticale entre des bancs à rouleaux 37 eux-mêmes disposés verticalement. Cela veut dire que les feuilles thermoplastiques qui composent la tranche de la structure en nid d'abeilles sont disposées dans le plan horizontal. La première feuille 38 est tout d'abord mise en contact sous l'effet du poids de la tranche sur un plateau chauffant 39 recouvert d'un tissu en téflon antiadhérent 40. Le but est d'élever la température au sein de la première feuille 38 à un niveau proche du seuil de décomposition de l'agent d'expansion sans pour autant déformer le bord inférieur de la tranche. La première feuille 38 préchauffée passe ensuite dans une enceinte dont la largeur est ajustée par deux volets 41 à la largeur de la tranche. A l'intérieur de cette enceinte des résistances chauffantes 42 sont réglées de telle manière que la température de l'air à la surface de la première feuille 38 provoque la décomposition de l'agent d'expansion.
S'il s'agit d'azodicarbonamide pur, sa température de décomposition est d'environ 200°C. Cela génère des bulles de gaz qui restent emprisonnées dans le maillage constitué par les chaînes pontées entre elles. La première feuille 38 gonfle en moins d'environ trois minutes pour devenir une mousse.
Le taux d'expansion dépend de la proportion d'agent d'expansion que renferme le matériau thermoplastique dont est constituée la première feuille 38.
A titre d'exemple, on incorpore, dans le cas du polypropylène, de 7 à 1 1
% en masse d'azodicarbonamide lors de l'extrusion de la feuille pour obtenir ensuite un accroissement de volume entre 12 et 20 fois.
S'il s'agit d'azodicarbonamide auquel on a ajouté des activateurs de décomposition, cette température peut descendre jusqu'à 120°C.
Le temps de passage dans l'enceinte à air chaud est court, de manière à éviter le ramollissement excessif des deuxièmes feuilles 101 proches de la première feuille 38. A noter que lorsque la première feuille 38 s'expanse, son coefficient de conduction thermique diminue. En devenant une mousse, elle acquiert des propriétés d'isolation thermique. La deuxième feuille 101 qui lui est adjacente s'en trouve ainsi protégée. Le matériau thermoplastique constituant les deuxièmes feuilles 101 doit cependant pouvoir être exposé à de l'air chaud à 190°C pendant une durée d'environ trois minutes sans grand dommage. C'est le cas de tous les polymères hautes performances : polyéthersulfones (PES, PSU, PPSU), polyétherimide (PEI), polysulfure de phénylène (PPS), polyétheréthercétone (PEEK).
Si tel n'est pas le cas, on peut utiliser une première feuille 38 sous la forme d'un matériau réticulé à base de polyéthylène ou d'éthylène vinyle acétate (EVA) et contenant un agent d'expansion chimique réagissant à une température bien plus basse, jusqu'à environ 120°C. Cet agent d'expansion est par exemple de l'azodicarbonamide mélangé à du benzène-sulfohydrazide ou une alpha- amidosulfone ainsi qu'à des activateurs d'expansion.
En s'expansant la mousse réticulée forme des boucles 36 très régulières. L'expansion de la première feuille 38 a lieu dans les trois directions de l'espace, mais moins dans l'épaisseur que dans les sens long et large. Les boucles 36 sont par conséquent bien plus larges que la tranche de la structure en nid d'abeilles compact. La mousse présente des propriétés mécaniques et de tenue en température d'autant plus élevées que le taux de réticulation est important. Dans le cas de la présente invention une bande de mousse de polypropylène réticulée de 10 mm de large doit supporter un effort de 5 N sous une température de 140°C pendant au moins 10 minutes.
Deux disques coupants 43 en rotation rapide sont plaqués sur les flancs de la tranche et évacuent l'excès de matière 44 vers un conteneur 45.
L'opération est évidemment répétée sur la troisième feuille 380 de manière à former des boucles 360 et ainsi à obtenir une tranche de nid d'abeilles compact présentant sur ses deux bords une rangée de boucles de mousse réticulée 36,360.
Sur la figure 6, les boucles 36,360 sont représentées.
La dernière opération du procédé de fabrication est l'étirage de la tranche dans de l'air chaud pour obtenir une structure en nid d'abeilles alvéolaire avec des cellules hexagonales.
La figure 7 est une vue en coupe d'une barre d'étirage 47 et de l'un de ses étriers 48. La barre d'étirage 47 est un profilé en aluminium. L'étrier 48 est composé d'une équerre double en acier 49 de 10 mm de large à l'intérieur de laquelle sont montés deux axes 50a et 50b qui portent des rondelles en Téflon® 51 et 52. Grâce à ces roulements en appui sur les génératrices de la barre d'étirage 47 et au très faible coefficient de frottement du Téflon®, l'étrier 48 coulisse facilement le long de la barre d'étirage 47. Une tige en U en acier 53 pénètre dans les boucles 36 et les relie ainsi à l'étrier 48. Une barre en acier de section rectangulaire 54 permet de relever simultanément les tiges 53 de tous les étriers pour pouvoir placer la tranche à étirer, ou plusieurs tranches identiques superposées. La descente de la barre 54 fait pénétrer une branche de chaque tige en U 53 dans une ou plusieurs boucles 36, et l'autre branche de ladite tige dans un trou percé dans la base de l'équerre double 49. En position basse la tige 53 est donc solidement liée par un point haut et un point bas à ladite équerre 49, et elle va pouvoir communiquer un effort de traction à la boucle 36 dans laquelle elle est insérée.
La figure 8 est une coupe longitudinale d'une table d'étirage dans une enceinte à air chaud. Deux barres d'étirage identiques 47a et 47b sont représentées. La barre d'étirage 47a est fixe. La barre d'étirage 47b se déplace dans un plan horizontal en coulissant le long de tubes en acier 57 fixés de part et d'autre de la table. A chaque extrémité de la barre d'étirage mobile 47b, au voisinage du lieu où elle coulisse sur le tube 57, est fixé un capteur de force en traction (non représenté sur la figure 8) relié à une chaîne 58. Ce capteur est un ressort à spires de raideur élevée qui établit un contact électrique lorsque son allongement dépasse une valeur limite réglable. On évite ainsi que les deux chaînes 58 enroulées sur le mandrin 59 par le moteur électrique 60 n'exercent sur la tranche de la structure en nid d'abeilles compacte une force trop élevée qui pourrait entraîner la déchirure des feuilles thermoplastiques dont elle est constituée. Pour que l'étirage de la tranche de la structure en nid d'abeilles compacte et que la formation de rangées de cellules hexagonales régulières soit possible, il convient, lors de l'étirage, de soumettre la structure en nid d'abeilles à une température légèrement supérieure à la température de déformation du matériau thermoplastique ou des matériaux thermoplastiques dont est constituée ladite structure en nid d'abeilles.
A titres d'exemples, pour la grande majorité des polymères, cette température est égale où légèrement supérieure à la Température de Fléchissement sous Charge TFC (en anglais "Heat Deflection Température - HDT) mesurée selon la norme ISO 75 A (méthode A : 1 ,8 MPa). Ainsi une tranche d'une structure en nid d'abeilles compacte :
en polyester amorphe (APET) s'étire à 70°C,
à 80°C avec du polystyrène (PS),
à 150°C pour du polycarbonate (PC),
- à 160°C pour du polyétheréthercétone (PEEK), et
- à 210°C pour du polyétherimide (PEI).
Cependant, il faut au minimum 150°C pour étirer une tranche d'une structure en nid d'abeilles compacte en polypropylène homopolymère, alors que la HDT est inférieure à 100°C. Le moyen le plus fiable d'élever la température de toute la tranche de manière uniforme est de la faire traverser par un fluide chaud. Dans le cas du polyéthylène téréphtalate amorphe, du polystyrène et du polyéthylène basse densité, il est possible d'étirer la plaque dans de l'eau chaude. Mais il est plus avantageux d'utiliser de l'air chaud. Sur la figure 8, on distingue un ensemble de fils chauffants 61 . Il s'agit de fils métalliques tendus sur toute la largeur de la table d'étirage et parallèles aux barres 47a et 47b. Parcourus par un courant électrique de forte intensité, ces fils 61 dégagent de la chaleur. La température est la même en tout point du fil 61 et on la modifie en faisant varier l'intensité du courant électrique. Ainsi, on dispose d'autant de zones dont la température est réglable individuellement qu'il y a de fils chauffants 61 . Un ensemble de ventilateurs 62 diffusent de l'air chaud vers la tranche de la structure en nid d'abeilles compacte. Une plaque en nid d'abeilles en acier inoxydable soudé 63, capable de supporter 250°C en continu, et dont l'épaisseur est égale à au moins 7 fois la maille des cellules hexagonales redresse le flux d'air chaud turbulent généré par les ventilateurs 62 pour en faire un écoulement laminaire. Cette plaque de nid d'abeilles en acier inoxydable porte la tranche de la structure en nid d'abeilles thermoplastique compacte au moment du montage sur les barres d'étirage.
De façon pratique, on pose la tranche ou les tranches sur la plaque de nid d'abeilles aluminium 63 et on descend les tiges en U des étriers 53 à l'intérieur des boucles 36, 360. Puis, par la force du moteur 60 on exerce à froid un effort de traction important entre les deux rangées de boucles 36, 360, de manière à provoquer une très légère ouverture des cellules (quelques microns). Les fils chauffants 61 sont alors alimentés par un courant électrique et les ventilateurs 62 mis en route. Le flux laminaire d'air chaud diffuse à l'intérieur des cellules de la tranche de la structure en nid d'abeilles et échauffent progressivement la température des feuilles thermoplastiques. Lorsque la température de déformation, mesurée par un ou plusieurs capteurs est atteinte, le moteur 60 commence à enrouler lentement les deux chaînes 58 sur le mandrin 59. La barre 47b s'éloigne peu à peu de la barre 47a. Sous l'effet des vibrations créées par le passage de l'air et par la traction, les étriers 48 se rapprochent progressivement les uns des autres. Une plaque alvéolaire se forme, et l'accroissement de sa longueur s'accompagne de la réduction de sa largeur. Une hotte amovible 64 récupère l'air chaud qui a traversé la plaque et le renvoie devant les ventilateurs 62. Si la température à l'intérieur de la tranche dépasse la température maximale que peuvent supporter les boucles 36,360 de mousse réticulée, de l'air comprimé est injecté dans le corps creux de chaque barre de traction au travers des orifices 55 visibles sur la figure 7. On refroidit ainsi les roulements en Téflon® 51 ,52 et les boucles 36, 360. La fine plaque d'aluminium 56 est un écran thermique solidaire de la barre d'étirage 47 qui empêche le flux laminaire d'air chaud d'atteindre directement les étriers 48 et les boucles 36,360 de mousse.
Lorsque la barre 47b a atteint sa position finale, l'alimentation électrique des fils chauffants 61 est coupée alors que les ventilateurs 62 continuent de tourner.
Si le matériau thermoplastique qui constitue les feuilles de la structure en nid d'abeilles est semi-cristallin, il est nécessaire de refroidir progressivement la structure en nid d'abeilles pour éviter un phénomène de retrait. Une fois refroidie, la structure est transférée sur une table d'un massicot d'imprimerie pour éliminer la première et la dernière rangée de cellules, ainsi que les boucles 36,360 qui leur sont attachées.
Les figures 9 et 10 représentent un dispositif avantageux pour augmenter le nombre de boucles 36, qui participent à l'opération d'étirage. En effet, lorsque la maille de la cellule hexagonale est petite, les lignes de soudure sont rapprochées et le nombre de boucles 36 est par conséquent très élevé. On peut décider de ne tirer que sur une boucle 36 sur quatre par exemple. Les rangées de cellules les plus proches des barres 47a et 47b seront déformées et il faudra donc éliminer une plus grande quantité de matière. Pour accroître le nombre d'étriers 48 disponibles, on peut utiliser une barre d'étirage 47 double (figure 9), dont les équerres 49 des étriers 48 de l'une des barres d'étirage 47 ont des branches plus longues que celle de la deuxième barre d'étirage. La figure 10 est une vue de dessus qui montre comment les étriers 48 s'intercalent. Dans cet exemple, on saisit toutes les boucles 36, ce qui permet d'obtenir des rangées de cellules régulières 65 au voisinage de ces boucles 36.
Il est important de noter que l'on peut étirer le réseau alvéolaire de manière à obtenir des cellules hexagonales non pas régulières mais allongées dans une direction. Une plaque alvéolaire avec des cellules "surexpansées" (en anglais "overexpanded") possède une plus grande souplesse dans une direction, ce qui lui permet par exemple d'épouser une surface courbe.
La principale application industrielle des structures en nid d'abeilles obtenues par le procédé de fabrication selon l'invention est le panneau sandwich dont elles constituent l'âme. Les peaux (ou surfaces) du sandwich sont décoratives (stratifié, bois) dans le cas de la réalisation de mobilier et de cloisons, notamment pour les intérieurs de bateaux de plaisance. Elles sont structurelles (composite, tôle, acier) dans le cas de pièces pour l'aéronautique, l'automobile et le ferroviaire. Elles sont à la fois structurelles et décoratives (aluminium laqué, composite revêtu d'un gelcoat), lorsqu'il s'agit de réaliser des parois de remorques de camion, de camping car, de nacelle d'éolienne par exemples.
Par ailleurs, la structure en nid d'abeilles peut aussi servir de noyau creux à une structure composite. Dans ce cas, elle est revêtue d'un film d'étanchéité et d'un non tissé d'accrochage de la résine qui va être appliquée par contact ou infusion, résine elle-même renforcée par une ou plusieurs couches de mat de verre déposé à la surface de la structure en nid d'abeilles.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'une structure alvéolaire en nid d'abeilles comprenant les étapes suivantes :
on dispose d'une première feuille (38) d'un matériau thermoplastique contenant au moins un agent d'expansion ;
on rapporte et on soude au laser, selon une pluralité de cordons de soudure continus espacés les uns des autres, une deuxième feuille (101 ) d'un matériau thermoplastique absorbant sur la première feuille (38), le cas échéant on rapporte et on soude au laser, selon une pluralité de cordons de soudure continus espacés les uns des autres, au moins une deuxième feuille (101 ) sur la deuxième feuille (101 ) qui la précède de manière à former un empilement (1 10) de deuxièmes feuilles (101 ) ;
- on rapporte et on soude au laser, selon une pluralité de cordons de soudure continus espacés les uns des autres, sur la deuxième feuille (101 ), le cas échéant sur l'empilement (1 10) de deuxièmes feuilles (101 ), une troisième feuille (380) d'un matériau thermoplastique contenant au moins un agent d'expansion ;
- on forme des premières boucles (36) entre les cordons de soudure de la première feuille (38) avec la deuxième feuille (101 ), le cas échéant avec l'empilement (1 10) de deuxièmes feuilles (101 ), par expansion du matériau thermoplastique de la première feuille (38) ;
on forme des deuxièmes boucles (360) entre les cordons de soudure de la troisième feuille (380) avec la deuxième feuille (101 ), le cas échéant avec l'empilement de deuxièmes feuilles (101 ), par expansion du matériau thermoplastique de la troisième feuille (380) ;
on dispose dans les premières boucles (36) et deuxièmes boucles (360) un dispositif d'étirage ;
- on étire l'ensemble constitué par la première feuille (38), la deuxième feuille (101 ), le cas échéant l'empilement (1 10) de deuxièmes feuilles (101 ), et la troisième feuille (380) au moyen du dispositif d'étirage.
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'agent d'expansion est l'azodicarbonamide.
3. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau thermoplastique de la première feuille (38) et de la troisième feuille (380) comprend au moins un polymère choisi dans le groupe constitué par le polypropylène, le polyéthylène et l'éthylène vinyle acétate.
4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau thermoplastique de la deuxième feuille (101 ) comprend au moins un polymère choisi dans le groupe constitué par le polypropylène, le polyéthylène, les polyamides, les polyesters, les polystyrènes, le polycarbonate, l'acrylonitrile butadiène styrène, le polyétherimide, les polyéthersulfones, le polysulfure de phénylène et le polyéther éther cétone et qu'il contient en outre du noir de carbone.
5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on soude au laser au moyen d'un dispositif de soudage qui comprend une pluralité de têtes laser (14) générant chacune un faisceau laser de forme rectangulaire qui est uniforme ou à profil énergétique en forme de "M".
6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on forme des premières boucles (36) et des deuxièmes boucles (360) en chauffant respectivement la première feuille (101 ) et la troisième feuille (380) à la température de décomposition de l'agent d'expansion.
7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'étirage comprend une pluralité d'étriers (48) et une pluralité de tiges en U (53), lesdites tiges en U (53) étant agencées de manière à pénétrer dans les premières boucles (36) et les deuxièmes boucles (360) et à les relier aux étriers 48.
8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'étirage comprend un moyen de diffusion d'air chaud.
9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on soude au laser et on étire l'ensemble constitué par la première feuille (38), la deuxième feuille (101 ), le cas échéant l'empilement (1 10) de deuxièmes feuilles (101 ), et la troisième feuille (380), de manière à obtenir une structure alvéolaire en nid d'abeilles de densité inférieure à 50 kg/m3, de préférence inférieure à 30 kg/m3, avec des alvéoles hexagonales de maille comprise entre 3 et 50 mm.
10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on découpe la structure alvéolaire en nid d'abeilles en des tranches dont l'épaisseur est d'au moins 1 mm, de préférence entre 1 et 5 mm, et dont la tolérance d'épaisseur est inférieure à +/- 0,2 mm.
1 1 . Installation pour la mise en œuvre du procédé de fabrication d'une structure alvéolaire en nid d'abeilles selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, ladite installation comprenant :
des moyens de découpe des premières feuilles (38), deuxièmes feuilles (101 ) et troisièmes feuilles (380);
un dispositif d'empilement des premières feuilles (38), deuxièmes feuilles (101 ) et troisièmes feuilles (380);
- un dispositif de soudage au laser, optionnellement équipé de moyens de pression ;
un dispositif d'expansion de l'agent d'expansion du matériau thermoplastique de la première feuille (38) et de la troisième feuille (380) ;
- un dispositif d'étirage, optionnellement équipé d'un moyen de
diffusion d'air chaud.
12. Installation selon la revendication 1 1 , caractérisée en ce que le dispositif d'étirage comprend une pluralité d'étriers (48), une pluralité de tiges en U (53), lesdites tiges en U (53) étant agencées de manière à pénétrer dans les premières boucles (36) et les deuxièmes boucles (360) et à les relier aux étriers (48).
13. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 12, caractérisée en ce que le dispositif d'expansion comprend un four à air chaud (41 ,42).
14. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 13, caractérisée en ce que le dispositif de soudage comprend une pluralité de têtes laser (14) générant chacune un faisceau laser de forme rectangulaire qui est uniforme ou à profil énergétique en "M".
PCT/FR2013/050141 2012-02-06 2013-01-23 Procédé et installation de fabrication d'une structure alvéolaire en nid d'abeilles Ceased WO2013117838A1 (fr)

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