WO2025210268A1 - Fabrication d'au moins une partie d'un objet, outil d'assemblage correspondant, procédé de commande de l'outil et objets résultants - Google Patents

Fabrication d'au moins une partie d'un objet, outil d'assemblage correspondant, procédé de commande de l'outil et objets résultants

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WO2025210268A1
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WO
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thermoplastic material
assembly
additive manufacturing
carbon fiber
resistance welding
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Batiste ALLILAIRE
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Airbus Defence and Space SAS
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Publication date
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    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/30—Vehicles, e.g. ships or aircraft, or body parts thereof
    • B29L2031/3097—Cosmonautical vehicles; Rockets

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a structure that can be implemented in space and a structure obtained by this method.
  • the invention also relates to a machine for manufacturing such a structure.
  • the invention aims to at least partially overcome the drawbacks of the prior art.
  • the invention proposes a method for manufacturing at least one part of an object, made of thermoplastic material and intended to be assembled by resistance welding to a complementary part of this object, made of thermoplastic material, comprising the steps of: a) providing at least one part of the object made of thermoplastic material or producing by additive manufacturing at least one part of the object from thermoplastic material, the thermoplastic material containing from 5 to 15% by volume of carbon fibers; and b) depositing by additive manufacturing at least one continuous pattern of carbon fiber on said at least one part of step a), according to an implantation corresponding to the area intended to be heated during the assembly by resistance welding of said at least one part to the complementary part and so as to be able to apply a tension to two opposite ends of the continuous pattern during said assembly.
  • the invention also relates to a part of an object or an object, in particular a space object, obtained by implementing the method as defined above.
  • the space object is for example a satellite, an antenna reflector, an optical mirror or a satellite link structure of a satellite constellation.
  • the manufacturing method according to the invention makes it possible to manufacture a structure, a part of the structure of such a space object and more generally all or part of an object intended to be used in space or on Earth (such as, for example, a part of a motor vehicle).
  • Another object of the invention is a resistance welding assembly tool, in particular for implementing the assembly step as defined above, comprising two jaws configured to clamp two parts to be assembled against each other, at least two electrical contact elements arranged at the periphery of one of the two jaws so as to be able to apply a voltage between the opposite ends of at least one continuous pattern of carbon fiber carried by one of the two parts and a voltage source supplying the two electrical contact elements, the electrical contact elements being mounted in translation on a support of one of the two jaws, each by means of an axis secured to the support and carrying a compression spring interposed between the electrical contact element and this support.
  • the invention also relates to a space object, in particular a satellite, comprising an assembly tool as defined above and optionally an additive manufacturing machine.
  • Figure 1 schematically represents a machine for assembling by resistance welding two portions of a structure, according to an embodiment of the invention, which is mounted on a satellite according to this embodiment;
  • Figures 2a and 2b are respectively larger-scale top and bottom views of detail II of Figure 1;
  • Figure 3 schematically represents a part of the structure with a variant of a continuous carbon fiber pattern;
  • Figure 4 schematically represents the main steps of the manufacturing method according to an embodiment of the invention;
  • Figures 5a, 5b, and 5c schematically represent positioning imprints of the object parts, according to an alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 1 This is a framework of a space object, such as for example a reflector consisting of two sub-structures 10a, 10b each produced by additive manufacturing then assembled to each other by resistance welding, using the manufacturing method according to the invention.
  • a space object such as for example a reflector consisting of two sub-structures 10a, 10b each produced by additive manufacturing then assembled to each other by resistance welding, using the manufacturing method according to the invention.
  • This method therefore firstly comprises a step 100 of producing each of these sub-structures 10a, 10b by additive manufacturing from thermoplastic material.
  • PEKK polyetherketone ketone
  • Each continuous carbon fiber pattern deposited as a last pattern layer is intended to serve as an interstitial component between the parts of the substructures 10a, 10b to be assembled by resistance welding. It in fact forms an electrical conductor equivalent to a resistance when an electric current passes through it and, therefore, will dissipate thermal energy capable of melting the thermoplastic material of the parts of substructures 10a, 10b to be assembled, with a view to welding them to each other.
  • each continuous carbon fiber pattern is deposited in an implantation corresponding to the area intended to be heated during assembly by resistance welding and so as to be able to be consequently put under tension during this assembly.
  • two carbon fiber patterns 11a, 11b are successively deposited on a part 12 of the lower substructure 10b (here a part of a base triangle of the reflector), parallel to each other and following a general U-shaped configuration.
  • a part 12 of the lower substructure 10b here a part of a base triangle of the reflector
  • Other configurations and number of patterns are of course conceivable depending on the assembly to be carried out.
  • An example of another configuration 11' produced on a part 12' of a substructure similar to part 12 is shown in Figure 3.
  • This U is partially housed in a hollow 13 (see figure 1) produced by additive manufacturing during the first step 100 of the manufacturing process, in order to delimit a positioning imprint of the complementary part 18 of substructure 10a intended to be assembled to the part 12.
  • various forms of imprints can be produced as needed depending on the assembly to be carried out.
  • each of the patterns 11a, 11b also protrude from the central zone 15 of the part 12 so as to be able to be put under tension during assembly by resistance welding. These ends 14a-14d are for this purpose left exposed on support arms 16a, 16b projecting from the central zone, as is each of the patterns 11a, 11b in the part of the central zone 15 where pressure is applied during the assembly step by resistance welding, for optimal heat transfer.
  • the patterns 11 a, 11 b are covered with a layer of thermoplastic material, in order to anchor them to the underlying thermoplastic material.
  • the end sections of the patterns 11 a, 11 b may be flush with the surface of the part 12 or the ends 14a-14d may be made accessible by one or more passages provided in the part 12.
  • each carbon fiber pattern 11a, 11b comprises the deposition of a carbon fiber pre-impregnated with a thermoplastic material, preferably polyetherketoneketone (PEKK).
  • a carbon fiber pre-impregnated commonly called a carbon fiber prepreg
  • PEKK polyetherketoneketone
  • a high proportion of continuous fibers is in this respect favorable to the mechanical and thermoelastic properties of the pre-impregnated.
  • Each carbon fiber in the case of the present embodiment is also presented, for example, in the form of a thread grouping together several thousand elementary filaments (typically from 3,000 to 48,000) measuring, for example, from 6 to 10 ⁇ m in diameter.
  • This type of fiber is known under the name of rovings.
  • a pattern of continuous carbon fibers, in the form of a pre-impregnated material or not, can also, as a variant, be organized in a different way, for example in the form of a thread of fibers braided together, a textile obtained by weaving strands, or even a mat (non-woven sheet of loose fibers).
  • the first additive manufacturing step can be carried out separately from that of depositing the continuous carbon fiber pattern(s).
  • in space is meant the part of the universe located beyond the Earth's atmosphere.
  • the additive manufacturing machine used to produce these two substructures is in the case of the present embodiment a commercially available manufacturing machine, such as for example that marketed by the company 9TLabs under the reference Red Series Build Module (RSBM).
  • RSBM Red Series Build Module
  • Such a machine is capable of depositing molten wire of carbon fiber reinforced thermoplastic material as well as molten ribbon of carbon fiber pre-impregnation.
  • the additive manufacturing machine may comprise a multi-axis robot for depositing the wire and the ribbon and a laser for melting the latter, such as for example that marketed by the company Coriolis under the reference Coriolis C1.
  • a commercial manufacturing machine which is capable of depositing carbon fiber.
  • additive manufacturing also takes place in space, in which case additive manufacturing machines adapted to this environment are implemented.
  • This is for example a machine of the type described in the patent application US2017/0036783 mentioned above, in the patent application US2015/0075732 or in the patent application WO2015/060923. Where appropriate, they are adapted to be able to deposit wire and ribbon, in the manner of those commercially available and identified above for additive manufacturing on Earth.
  • the method according to the present embodiment further comprises a third step 300 of assembling in space the two sub-structures 10a and 10b by resistance welding by clamping against each other the two parts of the sub-structures 10a, 10b intended to be welded to each other and by applying a tension between the two ends of the or each continuous pattern 11a, 11b of carbon fiber.
  • a third step 300 of assembling in space the two sub-structures 10a and 10b by resistance welding by clamping against each other the two parts of the sub-structures 10a, 10b intended to be welded to each other and by applying a tension between the two ends of the or each continuous pattern 11a, 11b of carbon fiber.
  • an assembly tool 20 by resistance welding comprising two jaws 21a, 21b configured to clamp the two parts to be welded against each other, at least two electrical contact elements, only one of which is visible in Figure 1 and bears the numerical reference 22, arranged on either side of one of the two jaws 21a, 21b, here the jaw 21a, to apply a tension between the ends of the or each continuous pattern of carbon fiber, and a tension source, not visible in Figure 1 because here housed in a housing 23 of a robotic gripper 24.
  • This housing 23 is also used for mounting the assembly tool 20 on a robotic arm 31 of a satellite structure 30, both represented very schematically in Figure 1.
  • Each electrical contact element 22 is advantageously mounted in translation on the support 27a, 27b, by means of axes 28 integral with the latter and carrying a compression spring 29 interposed between the electrical contact element 22 and this support 27a, 27b, at benefit from optimal electrical contact with the ends 14a-14d of the continuous carbon fiber pattern(s), thanks to the elastic stress exerted by the springs 29.
  • a hollow 17 is also made in the part 18 of the substructure 10a complementary to the part 12 of the substructure 10b, by additive manufacturing during the first step 100 of the manufacturing process, in order to delimit a positioning imprint of the jaw 21a of the resistance welding tool 20, that is to say that located between the two electrical contact elements 22.
  • This imprint 17 serves to have a good positioning of the jaw 21a relative to the part 18 to be welded and thus in particular to compensate for the uncertainties of positioning of the resistance welding tool 20 when the latter is in the form of a robot, at the time of its approach to the part 18, and above all to guarantee that the two electrical contact elements 22 of the resistance welding tool 20 properly contact the bare fibers of the part 12.
  • the imprint 17 has a base 17a whose shape and dimensions correspond to the shape and dimensions of the jaw 21a (here a U) and a top 17b which flares out to guide the jaw 21a towards the base 17a.
  • the flare 17b may, for example, be replaced by a chamfer.
  • a martyr protuberance 41 can also be provided, that is to say a protuberance which is subsequently sacrificed, on the area of the complementary part 18” (male) which is welded onto the continuous pattern 11” of carbon fiber of the female part 12”. This protuberance 41 follows the pattern 11”.
  • the assembly tool 20 is advantageously energy-autonomous, to eliminate any power supply cable.
  • it may comprise a battery and/or one or more photovoltaic sensors (not shown).
  • one or more articulated arms may also be provided on the outer wall of the satellite to grasp and move the substructures produced by additive manufacturing from the manufacturing machine to the assembly tool 20.

Landscapes

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Abstract

L'invention a trait à un procédé de fabrication d'une partie d'un objet, en matériau thermoplastique et destinée à être assemblée par soudage par résistance à une partie complémentaire de cet objet, en matériau thermoplastique, comprenant les étapes de : a) fourniture d' une partie d'objet en matériau thermoplastique ou réalisation par fabrication additive d' une partie d'objet à partir de matériau thermoplastique, qui contient de 5 à 15% en volume de fibres de carbone; et b) dépôt par fabrication additive d'un motif continu de fibre de carbone sur la partie de l'étape a), suivant une implantation correspondant à la zone destinée à être chauffée lors de l'assemblage par soudage par résistance de la partie à la partie complémentaire et de façon à pouvoir appliquer une tension à deux extrémités opposées du motif continu lors dudit assemblage. L'invention a également trait à des outil d'assemblage et procédé de commande correspondants ainsi qu'à des objets résultants.

Description

Description
Titre : Fabrication d’au moins une partie d’un objet, outil d’assemblage correspondant, procédé de commande de l’outil et objets résultants
DOMAINE DE L'INVENTION
[001] L' invention concerne un procédé de fabrication d’une structure pouvant être mis en oeuvre dans l'espace et une structure obtenue par ce procédé. L'invention concerne également une machine de fabrication d'une telle structure.
ETAT DE LA TECHNIQUE
[002] Il est courant d'envoyer et de positionner dans l'espace des objets spatiaux, tels que des satellites, des réflecteurs d'antennes ou des miroirs optiques.
[003] La taille et la configuration de ce type d’objet sont très contraintes par les conditions de lancement et en particulier les dimensions caractéristiques d'une coiffe de lanceur.
[004] De plus, pour pouvoir tenir les très sévères contraintes mécaniques, acoustiques et thermodynamiques d'un lancement, les structures sont aujourd'hui surdimensionnées. Ceci crée un surcroît de coût et de masse que l'on cherche à éviter.
[005] Afin de pouvoir s'affranchir de ces contraintes, des efforts de recherche sont menés pour développer des systèmes permettant de fabriquer et assembler des structures dans l'espace.
[006] On connaît par exemple de la demande de brevet US2017/0036783 une solution de fabrication de structures dans l’espace basée sur la technique de la fabrication additive (ou impression 3D) de matériaux thermoplastiques, éventuellement renforcés de fibres de carbone.
[007] D’après ce document, plusieurs mécanismes de liaison de matière peuvent être mis en oeuvre dans le cadre de cette fabrication additive. Sont notamment cités le dépôt de fil fondu (« fused deposition modeling » en anglais) et le soudage, et plus particulièrement le soudage par résistance.
[008] Cette dernière technique présente l’avantage de pouvoir être mise en oeuvre pour souder des matériaux composites renforcés par des fibres de carbone et de ne pas imposer de contrainte majeure en termes de taille et de géométrie des pièces pouvant être soudées.
[009] Comme enseigné par exemple par la demande de brevet WO2015/166227, elle requiert néanmoins l’interposition d’une pièce interstitielle dans la zone de jonction entre les deux composants à souder, afin de pouvoir y faire fondre les deux composants en chauffant la pièce interstitielle par application d’une tension à celui-ci. La mise en place d’une telle pièce n’est pas chose aisée sur terre, car elle doit être positionnée de manière très précise à l’emplacement de la zone du composant devant être chauffée, mais s’avère évidemment encore plus compliquée à mettre en oeuvre dans l’espace, en particulier en raison de l’absence de pesanteur.
PRESENTATION DE L'INVENTION
[010] L' invention a pour but de pallier au moins en partie les inconvénients de l'art antérieur. [011] A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’au moins une partie d’un objet, en matériau thermoplastique et destinée à être assemblée par soudage par résistance à une partie complémentaire de cet objet, en matériau thermoplastique, comprenant les étapes de : a) fourniture d’au moins une partie d’objet en matériau thermoplastique ou réalisation par fabrication additive d’au moins une partie d’objet à partir de matériau thermoplastique, le matériau thermoplastique contenant de 5 à 15% en volume de fibres de carbone ; et b) dépôt par fabrication additive d’au moins un motif continu de fibre de carbone sur ladite au moins une partie de l’étape a), suivant une implantation correspondant à la zone destinée à être chauffée lors de l’assemblage par soudage par résistance de ladite au moins une partie à la partie complémentaire et de façon à pouvoir appliquer une tension à deux extrémités opposées du motif continu lors dudit assemblage.
[012] Grâce à ces dispositions, l’on profite non seulement de la fabrication additive pour disposer très précisément une pièce ou composant interstitiel et ainsi délimiter très précisément la zone de soudure/assemblage (ici un ou des motifs continus de fibre de carbone), mais aussi pour le ou les fixer à demeure à l’emplacement de la zone de chauffage. [013] Ces dispositions présentent en outre l’avantage de pouvoir bénéficier de la mise en place d’un ou de plusieurs motifs continus de fibre de carbone en tant que pièces ou composants interstitiels pour renforcer la partie ainsi réalisée. Cela s’avère particulièrement intéressant pour des applications spatiales où les vibrations peuvent activer les modes de vibration de la partie d’objet correspondante.
[014] En outre, les fibres de carbone présentent un faible coefficient d’expansion thermique, ce qui est également bénéfique dans le domaine spatial, où bénéficier d’une quasi-insensibilité aux effets des gradients thermiques est important.
[015] Ce procédé s’avère également utile dans un environnement terrestre du fait notamment qu’il permet de positionner de manière très précise la pièce ou composant interstitiel.
[016] On notera également qu’il peut être mis en oeuvre pour réparer des objets, les compléter ou les renforcer, tant sur terre que dans l’espace et qu’il peut être entièrement automatisé de par sa simplicité d’implémentation. Cette dernière caractéristique est particulièrement intéressante pour des procédés de fabrication, assemblage et maintenance en orbite où toutes les tâches sont automatisées avec des moyens robotiques à cause du manque d’accessibilité. [017] Avantageusement, mais facultativement, le procédé de fabrication selon l’invention peut en outre comprendre au moins l’une des caractéristiques suivantes : le matériau thermoplastique contient 10% en volume de fibres de carbone ; les fibres de carbone sont des fibres courtes ayant une longueur de 0,1 à 1 mm ; le matériau thermoplastique est du polyéthercétonecétone (PEKK), du polyétheréthercétone (PEEK), du polyaryléthercétone à faible point de fusion (LM-PAEK) et, de préférence, du polyéthercétonecétone (PEKK) ; le dépôt du ou de chaque motif continu de fibre de carbone comprend le dépôt d’un pré-imprégné de fibre de carbone imprégnée d’un matériau thermoplastique choisi parmi le polyéthercétonecétone (PEKK), le polyétheréthercétone (PEEK)et le polyaryléthercétone à faible point de fusion (LM-PAEK), de préférence du polyéthercétonecétone (PEKK) ; le pré-imprégné est un mélange d’au plus 60% en volume, de préférence 60% en volume, de fibres de carbone continues et d’au moins 40% en volume de polyéthercétonecétone (PEKK) ; le pré-imprégné se présente sous la forme d’un ruban ; le ou au moins un motif continu de fibre de carbone est réalisé à partir d’un fil formé d’une pluralité de fibres de carbone continues tressées entre elles ou d’une pluralité de fibres de carbone continues unidirectionnelles ; l’étape a) comprend la réalisation par fabrication additive de la partie complémentaire d’objet à partir de matériau thermoplastique et d’une empreinte de positionnement dans cette partie complémentaire d’une mâchoire servant au serrage des deux parties d’objet l’une contre l’autre lors de l’assemblage par soudage par résistance ; l’étape a) comprend la réalisation par fabrication additive à partir de matériau thermoplastique des deux parties d’objet, avec sur chaque partie d’objet une empreinte de positionnement de la partie d’objet, de forme complémentaire de la forme de l’empreinte de la partie complémentaire, de sorte que les deux empreintes viennent coopérer par complémentarités de formes lors dudit assemblage par soudage par résistance ; l’étape a) comprend la réalisation par fabrication additive de la partie complémentaire d’objet à partir de matériau thermoplastique et avec au moins une protubérance martyre, configurée chacune pour suivre un motif continu de fibre de carbone et entrer en contact avec ce motif continu de fibre de carbone avant d’appliquer le soudage par résistance ; le procédé de fabrication comprend en outre une étape d’assemblage des deux parties d’objet par soudage par résistance en serrant les deux parties l’une contre l’autre et en appliquant une tension entre les deux extrémités du ou de chaque motif continu de fibre de carbone ; l’étape d’assemblage a lieu dans l’espace et la ou les étapes de fabrication additive avant assemblage, sur terre ou dans l’espace. [018] Avantageusement, l’étape a) comprend le dépôt par fabrication additive d’une alternance de couches de matériau thermoplastique et d’au moins une fibre de carbone continue.
[019] Cette alternance de couches permet d’apporter, d’une part, à la partie d’objet réalisée avec le procédé selon l’invention, de la rigidité grâce à la ou aux fibres de carbone tout en bénéficiant de sa(leur) faible sensibilité au gradient thermique en raison de sa(leur) faible coefficient de dilatation thermique (outre bien entendu la formation du motif de soudage par résistance) et, d’autre part, de la cohésion inter-couches grâce au matériau thermoplastique. [020] L’invention a également pour objet une partie d’objet ou un objet, notamment un objet spatial, obtenu par la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus. L’objet spatial est par exemple un satellite, un réflecteur d’antenne, un miroir optique ou une structure de liaison de satellites d’une constellation satellitaire.
[021] Le procédé de fabrication selon l’invention permet en effet de fabriquer une structure, une partie de structure d’un tel objet spatial et plus généralement tout ou partie d’un objet destiné à être utilisé dans l’espace ou sur terre (tel que par exemple une pièce de véhicule automobile).
[022] Un autre objet de l’invention est un outil d’assemblage par soudage par résistance, notamment pour la mise en oeuvre de l’étape d’assemblage telle que définie ci-dessus, comportant deux mâchoires configurées pour serrer l’une contre l’autre deux pièces à assembler, au moins deux éléments de contact électrique agencés à la périphérie de l’une des deux mâchoires de façon à pouvoir appliquer une tension entre les extrémités opposées d’au moins un motif continu de fibre de carbone porté par l’une des deux pièces et une source de tension alimentant les deux éléments de contact électrique, les éléments de contact électrique étant montés à translation sur un support de l’une des deux mâchoires, chacun au moyen d’un axe solidaire du support et portant un ressort de compression interposé entre l’élément de contact électrique et ce support.
[023] Suivant des dispositions spécifiques de cet outil, pouvant être combinées : les mâchoires sont chacune montées sur l’une des branches d’une pince robotique, le cas échéant par l’intermédiaire du support ; l’outil d’assemblage comprend en outre une interface de communication à distance adaptée pour recevoir des instructions de commande depuis la terre.
[024] L’invention a encore pour objet un objet spatial, notamment un satellite, comprenant un outil d’assemblage tel que défini ci-dessus et facultativement une machine de fabrication additive.
[025] L’ invention a aussi pour objet un procédé de commande depuis le sol d’un outil d’assemblage et, le cas échéant, d’une machine de fabrication additive, comprenant l’envoi à l’outil d’assemblage et, le cas échéant, à la machine de fabrication additive, d’une séquence d’instructions configurée pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus.
DESCRIPTION DES FIGURES
[026] D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 représente schématiquement une machine d’assemblage par soudage par résistance de deux portions d’une structure, selon un mode de réalisation de l’invention, qui est montée sur un satellite selon ce mode de réalisation ; les figure 2a et figure 2b sont respectivement des vues de dessus et de dessous à plus grande échelle du détail II de la figure 1 ; la figure 3 représente schématiquement une partie de structure avec une variante de motif continu de fibre de carbone ; la figure 4 représente schématiquement les principales étapes du procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; et les figure 5a, figure 5b, figure 5c représentent schématiquement des empreintes de positionnement des parties d’objet, selon une variante de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
[027] On va maintenant décrire en référence à ces figures un procédé de fabrication d’une structure 10, telle que celle représentée sur la figure 1 . Il s’agit ici d’une ossature d’objet spatial, tel que par exemple un réflecteur constituée de deux sous-structures 10a, 10b réalisées chacune par fabrication additive puis assemblées l’une à l’autre par soudage par résistance, grâce au procédé de fabrication selon l’invention.
[028] Ce procédé comprend à cet effet tout d’abord une étape de réalisation 100 par fabrication additive de chacune de ces sous -structures 10a, 10b à partir de matériau thermoplastique.
[029] Avantageusement, le matériau thermoplastique est un matériau thermoplastique renforcé de fibres de carbone. Avantageusement pour des raisons de commodité de fabrication, les fibres de carbone de ce type de matériau sont des fibres de carbone coupées ou broyées, couramment appelées fibres courtes. Leur longueur est généralement de 0,1 à 1 mm, ici de l’ordre de 0,1 - 0,5 mm, tel qu’observé par coupe micrométrique du matériau.
[030] Il s’agit par exemple d’un fil comprenant 90% en volume de polyéthercétone cétone (PEKK) en tant que matériau thermoplastique et 10% en volume de fibres de carbone courtes, tel que notamment le filament PEKK Carbon Gris commercialisé par la société Kimya.
[031] Le procédé de fabrication selon l’invention comprend une seconde étape 200 de dépôt par fabrication additive d’au moins un motif continu de fibre de carbone sur la ou les parties d’une des sous-structures 10a, 10b réalisée à l’étape 100, destinée(s) à être assemblée(s) à une ou des parties complémentaires respectives de l’autre sous-structure réalisée à l’étape 100, par soudage par résistance lors d’une étape ultérieure de ce procédé de fabrication, décrite ci-après.
[032] En variante, il est envisageable de répartir des motifs de fibre de carbone sur des parties des deux sous-structures 10a, 10b.
[033] Chaque motif continu de fibre de carbone déposé en tant que dernière couche de motif est destiné à servir de composant interstitiel entre les parties des sous-structures 10a, 10b à assembler par soudage par résistance. Il forme en effet un conducteur électrique équivalent à une résistance lors du passage d’un courant électrique dans celui-ci et, partant, dissipera de l’énergie thermique propre à faire fondre le matériau thermoplastique des parties de sous- structures 10a, 10b à assembler, en vue de les souder l’une à l’autre.
[034] A cet effet, chaque motif continu de fibre de carbone est déposé suivant une implantation correspondant à la zone destinée à être chauffée lors de l’assemblage par soudage par résistance et de façon à pouvoir être mis par conséquent sous tension lors de cet assemblage.
[035] Dans le cas du mode de réalisation illustré sur les figures 1 , 2a et 2 b, deux motifs de fibre de carbone 11 a, 1 1 b sont successivement déposés sur une partie 12 de la sous-structure inférieure 10b (ici une partie d’un triangle de base du réflecteur), parallèlement l’un à l’autre et suivant une configuration générale en forme de U. D’autres configurations et nombre de motifs sont bien entendu envisageables en fonction de l’assemblage devant être effectué. Un exemple d’autre configuration 1 1 ’ réalisée sur une partie 12’ de sous -structure similaire à la partie 12, est représentée sur la figure 3.
[036] Ce U est partiellement logé dans un creux 13 (voir figure 1 ) réalisé par fabrication additive lors de la première étape 100 du procédé de fabrication, afin de délimiter une empreinte de positionnement de la partie complémentaire 18 de sous-structure 10a destinée à être assemblée à la partie 12. La pression appliquée lors de l’étape d’assemblage par soudage par résistance décrite plus en détail ci-après, étant concentrée sur ce creux 13, ce dernier délimite en pratique aussi la zone de fusion de matière lors de cet assemblage. Ici aussi, diverses formes d’empreintes peuvent être réalisées en tant que de besoin en fonction de l’assemblage devant être effectué.
[037] Les extrémités 14a-14d de chacun des motifs 11 a, 1 1 b dépassent par ailleurs de la zone centrale 15 de la partie 12 de façon à pouvoir être mis sous tension lors de l’assemblage par soudage par résistance. Ces extrémités 14a-14d sont à cet effet ici laissées à nu sur des bras de support 16a, 16b saillant de la zone centrale, de même que l’est chacun des motifs 11 a, 11 b dans la partie de la zone centrale 15 où l’on vient appliquer la pression lors de l’étape d’assemblage par soudage par résistance, en vue d’un transfert de chaleur optimal. Pour le reste, les motifs 11 a, 1 1 b sont couverts d’une couche de matériau thermoplastique ,afin de les ancrer au matériau thermoplastique sous-jacent.. En variante, les sections d’extrémité des motifs 11 a, 11 b peuvent être à fleur de la surface de la partie 12 ou les extrémités 14a-14d peuvent être rendues accessibles par un ou plusieurs passages ménagés dans la partie 12.
[038] On observera à cet égard que les motifs 1 1 a, 11 b de fibre de carbone ont été représentés vus en transparence sur les figures 1 , 2a (partiellement) et 2b (totalement).
[039] Avantageusement pour des raisons de commodité de fabrication, le dépôt de chaque motif 1 1 a, 1 1 b de fibre de carbone comprend le dépôt d’un pré-imprégné de fibre de carbone imprégnée d’un matériau thermoplastique, de préférence du polyéthercétonecétone (PEKK). Ce pré-imprégné de fibre de carbone, couramment appelé prépreg de fibre de carbone, est par exemple un mélange de 60% en volume de fibres de carbone continues et de 40% en volume de polyéthercétonecétone (PEKK) .Une proportion élevée de fibres continues est à cet égard favorable aux propriétés mécaniques et thermo-élastiques du pré-imprégné.
[040] Cette proportion de fibres de carbone continues garantit la présence de fibres de carbones continues à nu au niveau des emplacements mentionnés ci-dessus (de contact électrique et transfert de chaleur) de la couche formant composant interstitiel, malgré la présence de de matériau thermoplastique d’imprégnation.
[041] On entend par fibres continues dans le domaine des matériaux composites de fibres ayant une longueur supérieure à 50 mm. Selon la pièce à fabriquer, des fibres ayant une dimension intermédiaire entre les fibres courtes et continues, c’est-à -dire ayant une longueur comprise entre 1 et 50 mm et appelées fibres longues dans ce domaine, peuvent également être mises en oeuvre.
[042] De préférence, le pré-imprégné comporte une pluralité de fibres unidirectionnelles.
[043] Chaque fibre de carbone dans le cas du présent mode de réalisation se présente par ailleurs par exemple sous forme d’un fil regroupant plusieurs milliers de filaments élémentaires (typiquement de 3 000 à 48 000) mesurant, par exemple, de 6 à 10 pm de diamètre. Ce type de fibre est connu sous la dénomination de mèche (en anglais « rovings »).
[044] Un motif de fibres de carbone continues, sous forme de pré-imprégné ou non, peut aussi, en variante, être organisé de manière différente, par exemple sous forme d’un fil de fibres tressées entre elles, d’un textile obtenu par tissage de mèches, ou encore d’un mat (nappe de fibres en vrac non tissées).
[045] Le pré-imprégné se présente en pratique sous la forme d’un ruban, ayant par exemple 1 mm de largeur et 0,2 mm d’épaisseur.
[046] De préférence, la première étape 100 de fabrication additive comprend le dépôt par fabrication additive d’une alternance de couches de matériau thermoplastique (ici du PEKK renforcé de fibres de carbone) et de de fibres de carbone (ici le pré-imprégné de fibre de carbone). Autrement dit, une ou plusieurs fibres de carbone continues sont interposées entre des couches de matériau thermoplastique, en plus de celle(s) formant la couche servant de composant(s) interstitiel.
[047] Cette alternance de couches permet, comme mentionné ci-dessus, d’apporter, d’une part, à la partie de sous-structure réalisée avec le procédé selon l’invention, de la rigidité grâce à la ou aux fibres de carbone du pré-imprégné tout en bénéficiant de sa(leur) faible sensibilité au gradient thermique en raison de sa(leur) faible coefficient de dilatation thermique (outre bien entendu la formation du motif de soudage par résistance) et, d’autre part, de la cohésion inter-couches grâce au matériau thermoplastique.
[048] Par ailleurs, la présence de fibres courtes de carbone permet non seulement de renforcer le matériau thermoplastique avec des éléments structuraux, mais aussi de rapprocher le coefficient de dilatation thermique de ce matériau et celui du pré-imprégné. S’ils sont trop éloignés, cela induit en effet de fortes contraintes internes à l’ensemble après refroidissement de la partie d’objet fabriquée. Autrement dit, le matériau thermoplastique chargé avec des fibres courtes de carbone doit avoir un coefficient de dilatation thermique le plus proche du matériau chargé en fibres continues de carbone, sinon, lors du refroidissement de la pièce, les deux matériaux ne se compriment pas autant l'un l'autre et de fortes contraintes de cisaillement peuvent être induites dans la pièce. Il est donc préconisé entre 5 et 15% en volume de fibres courtes dans le premier matériau thermoplastique.
[049] Pour fabriquer des parties d’objets ou des objets moins résistants il est néanmoins possible, en variante, de ne pas mettre en oeuvre une telle alternance, voire de ne pas renforcer le matériau thermoplastique du tout.
[050] En variante également, la première étape de fabrication additive peut être réalisée séparément de celle de dépôt du ou des motifs continus de fibre de carbone.
[051] Dans le cas du présent mode de réalisation la fabrication additive a lieu sur terre, tandis que l’assemblage des pièces ainsi réalisées a lieu dans l’espace après y avoir été amenées par un lanceur.
[052] Par « dans l’espace », on entend la partie de l’univers située au-delà de l’atmosphère terrestre.
[053] La machine de fabrication additive utilisée pour réaliser ces deux sous-structures, couramment appelée imprimante 3D, est dans le cas du présent mode de réalisation une machine de fabrication disponible dans le commerce, telle que par exemple celle commercialisée par la société 9TLabs sous la référence Red Series Build Module (RSBM).
[054] Une telle machine est apte à déposer du fil fondu de matériau thermoplastique renforcé par des fibres de carbone ainsi qu’un ruban fondu de pré-imprégné de fibre de carbone.
[055] En variante, la machine de fabrication additive peut comporter un robot multi-axes pour le dépôt du fil et du ruban et un laser pour faire fondre ces derniers, telle que par exemple celle commercialisée par la société Coriolis sous la référence Coriolis C1 . [056] .Dans le cas de la mise en œuvre d’une pièce existante en matériau thermoplastique, renforcé ou non de fibres de carbone, il suffit d’utiliser une machine de fabrication du commerce qui soit apte à déposer de la fibre de carbone.
[057] Dans d’autres modes de réalisation, la fabrication additive a également lieu dans l’espace, auquel cas des machines de fabrication additive adaptées à cet environnement sont mises en œuvre. Il s’agit par exemple d’une machine du type de celles décrites dans la demande de brevet US2017/0036783 mentionnée ci-dessus, dans la demande de brevet US2015/0075732 ou encore dans la demande de brevet WO2015/060923. Le cas échéant elles sont adaptées pour pouvoir déposer du fil et du ruban, à la manière de celles disponibles dans le commerce et identifiées ci-dessus pour la fabrication additive sur terre.
[058] Le procédé selon le présent mode de réalisation comprend en outre une troisième étape 300 d’assemblage dans l’espace des deux sous-structures 10a et 10b par soudage par résistance en serrant l’une contre l’autre les deux parties des sous-structures 10a, 10b destinées à être soudées l’une à l’autre et en appliquant une tension entre les deux extrémités de la ou de chaque motif continu 1 1 a, 11 b de fibre de carbone. Il y a ainsi une dualité effort mécanique et tension électrique (et de ce fait traitement thermique).
[059] A cet effet, il est prévu, comme illustré sur la figure 1 et pour une partie 12 à assembler différente de celle des figures 2a et 2b, un outil d’assemblage 20 par soudage par résistance comportant deux mâchoires 21 a, 21 b configurées pour serrer l’une contre l’autre les deux parties à souder, au moins deux éléments de contact électrique, dont un seul est visible sur la figure 1 et porte le repère numérique 22, agencés de part et d’autre d’une des deux mâchoires 21 a, 21 b, ici la mâchoire 21 a, pour appliquer une tension entre les extrémités de la ou de chaque motif continu de fibre de carbone, et une source de tension, non visible sur la figure 1 car ici logée dans un boîtier 23 d’une pince robotique 24. Ce boîtier 23 sert également au montage de l’outil d’assemblage 20 sur un bras robotisé 31 d’une structure de satellite 30, tous deux représentés très schématiquement sur la figure 1 .
[060] Cette source de tension est néanmoins représentée de façon schématique sur les figures 2a et 2b et y porte le repère numérique 25.
[061] Les mâchoires 21 a, 21 b sont chacune montée sur l’une des branches 26a, 26b de la pince robotique 24 au moyen d’un support 27a, 27b en matériau thermiquement et électriquement isolant.
[062] Les éléments de contact électrique 22 se présentent dans le cas du présent mode de réalisation sous la forme de parallélépipèdes rectangles, par exemple en cuivre, montés chacun sur un des deux supports 27a, 27b.
[063] Chaque élément de contact électrique 22 est avantageusement monté à translation sur le support 27a, 27b, au moyen d’axes 28 solidaires de ce dernier et portant un ressort de compression 29 interposé entre l’élément de contact électrique 22 et ce support 27a, 27b, au bénéfice d’un contact électrique optimal avec les extrémités 14a-14d du ou des motifs continus de fibre de carbone, grâce à la sollicitation élastique exercée par les ressorts 29.
[064] On observera encore que chaque support 27a, 27b présente, pour le montage des éléments de contact électrique 22, au moins en partie une section transversale globalement en forme d’étrier, dont les branches s’étendent de part et d’autre de la mâchoire 21 a, 21 b associée et portent pour l’un des deux supports 27a, 27b , ici le support 27a, les éléments de contact électrique 22.
[065] Par ailleurs, un creux 17 est également réalisé dans la partie 18 de la sous-structure 10a complémentaire de la partie 12 de la sous-structure 10b, par fabrication additive lors de la première étape 100 du procédé de fabrication, afin de délimiter une empreinte de positionnement de la mâchoire 21 a de l’outil de soudage par résistance 20, c’est-à-dire de celle située entre les deux éléments de contact électrique 22. Cette empreinte 17 sert à avoir un bon positionnement de la mâchoire 21 a par rapport à la partie 18 à souder et ainsi notamment de compenser les incertitudes de positionnement de l’outil de soudage par résistance 20 lorsque celui-ci se présente sous la forme d’un robot, au moment de son approche de la partie 18, et surtout de garantir que les deux éléments de contact électrique 22 de l’outil de soudage par résistance 20 contactent bien les fibres à nues de la partie 12. A cet effet, l’empreinte 17 présente une base 17a dont la forme et les dimensions correspondent à la forme et aux dimensions de la mâchoire 21 a (ici un U) et un sommet 17b qui va en s’évasant pour guider la mâchoire 21 a vers la base 17a.
[066] En variante, l’évasement 17b peut, par exemple, être remplacé par un chanfrein.
[067] Pour en revenir au creux 13 visible sur la figure 1 , celui-ci est également bordé par un arrondi 19 pour guider une empreinte de la partie 18, de forme complémentaire de celle du creux 13, vers ce dernier.
[068] En variante, comme représenté sur les figures 5a à 5c, il peut être prévu d’autres formes d’empreintes mâle/femelle de positionnement, de sorte que les parties 12” et 18” coopèrent par complémentarité de formes de leurs empreintes afin de garantir une bonne mise en position avant que le soudage par résistance ne vienne garantir le maintien en position. Ici, les formes complémentaires des empreintes présentent un section transversale de forme trapézoïdale. D’autres formes polygonales ou courbes sont bien entendu aussi envisageables ici.
[069] Comme on peut également le voir sur ces figures 5a à 5c, il peut également être prévu une protubérance martyre 41 , c’est-à-dire une protubérance que l’on vient sacrifier par la suite, sur la zone de la partie complémentaire 18” (mâle) qui vient se souder sur le motif 1 1 ” continu de fibre de carbone de la partie 12”femelle. Cette protubérance 41 suit le motif 11 ”.
[070] De fait, lorsque la ou les fibres de carbone du motif 11 ” sont sous tension et bien chaudes, il faut que l'on soit sûr qu'elles vont bien rentrer en contact avec la partie complémentaire 18 " et que l'on ne manque pas le contact à cause d'une petite aspérité en dehors du motif 11 ”. Comme la protubérance martyre 41 (de préférence de faible épaisseur, soit environ 0.2 à 0.4mm, comme l'épaisseur de la fibre de carbone) sur la pièce complémentaire 18 " (en matériau thermoplastique avantageusement renforcé de fibres courtes) suit le motif 11 ” de fibre de carbone, elle permet d'assurer le contact à cet endroit précis où la densité de chaleur est la plus importante (voir figure 5b). Une fois que cette protubérance martyre 41 a fondu, elle s'étale et s'aplanit afin de garantir une bonne soudure des deux parties 12” et 18”, et les deux surfaces planes de ces parties mâle / femelle 12”, 18” sont bien en contact, comme initialement prévu (voir figure 5c).
[071] L’ outil d’assemblage 20 est avantageusement autonome ou pilotable depuis la terre pour permettre une mise en oeuvre à distance du procédé de fabrication décrit ci-dessus. A cet égard, l’outil d’assemblage comprend de préférence une unité de pilotage comprenant un calculateur, une mémoire, et une interface de communication avec la terre, comprenant de préférence une antenne d'émission et de réception d'ondes radio. Cette unité de pilotage est logée dans le boîtier 23 et donc non visible sur la figure 1 , à l’exception de l’interface de communication 28, qui en fait partiellement saillie dans le cas du présent mode de réalisation. [072] L' interface de communication est adaptée pour recevoir des instructions de commande de l’outil, lesdites instructions étant traitées par le calculateur pour la mise en oeuvre du procédé. Le calculateur est adapté pour commander le fonctionnement des composants de l’outil en fonction des instructions de commande reçues pour mettre en oeuvre le procédé. Ainsi on peut commander l’outil à distance pour la fabrication d'un objet dans l'espace, par l'envoi d'instructions à l’outil depuis un centre de commande au sol.
[073] De préférence, l’outil d’assemblage 20 est avantageusement autonome en énergie, pour supprimer tout câble d'alimentation en énergie. Il peut à cet égard comprendre une batterie et/ou un ou plusieurs capteurs photovoltaïques (non représentés).
[074] Lorsque la fabrication additive a lieu dans l’espace, un ou plusieurs bras articulés (non représentés) peuvent par ailleurs être prévus sur la paroi extérieure du satellite pour saisir et déplacer les sous-structures réalisées par fabrication additive de la machine de fabrication à l’outil d’assemblage 20.
[075] En pratique l’assemblage par soudage par résistance avec cet outil d’assemblage 20 est réalisé comme suit (voir également la figure 1 , où les motifs continus 11 a, 11 b de fibre de carbone sont représentés visibles par transparence) :
• Les deux sous-structures 10a, 10b sont mises en place entre les mâchoires 21a, 21 b et en contact au niveau de leurs parties à souder l’une à l’autre ;
• Une pression est appliquée par les mâchoires 21 a, 21b pour assurer le contact et le bon soudage ; • La source de tension 24 entre en contact avec les deux extrémités de motifs 11 a, 11b constituant le motif de soudure, par l’intermédiaire des éléments de contact électrique 22 ;
• La source 24 est mise sous tension pour laisser passer le courant à travers les motifs 11a, 11 b de fibre de carbone afin qu'ils se réchauffent ;
• Le matériau fond et se mélange entre les deux parties à assembler pendant quelques minutes après avoir atteint la température de fusion (dans le cas du présent mode de réalisation entre 350°C et 400°C) ;
• L'alimentation électrique est coupée et le matériau refroidit ;
• Une fois en dessous de la température de transition vitreuse, la pression est relâchée et l'assemblage est terminé.
[076] De nombreuses autres variantes sont possibles en fonction des circonstances et l’on rappelle à cet égard que la présente invention ne se limite pas aux exemples représentés et décrits.

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication d’au moins une partie d’un objet, en matériau thermoplastique et destinée à être assemblée par soudage par résistance à une partie complémentaire de cet objet, en matériau thermoplastique, comprenant les étapes de : a) fourniture d’au moins une partie d’objet en matériau thermoplastique ou réalisation par fabrication additive d’au moins une partie d’objet à partir de matériau thermoplastique, le matériau thermoplastique contenant de 5 à 15% en volume de fibres de carbone ; et b) dépôt par fabrication additive d’au moins un motif continu de fibre de carbone sur ladite au moins une partie de l’étape a), suivant une implantation correspondant à la zone destinée à être chauffée lors de l’assemblage par soudage par résistance de ladite au moins une partie à la partie complémentaire et de façon à pouvoir appliquer une tension à deux extrémités opposées du motif continu lors dudit assemblage.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le matériau thermoplastique contient 10% en volume de fibres de carbone.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les fibres de carbone du matériau thermoplastique sont des fibres courtes ayant une longueur de 0,1 à 1 mm.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau thermoplastique est du polyéthercétonecétone (PEKK), du polyétheréthercétone (PEEK), du polyaryléthercétone à faible point de fusion (LM-PAEK) et, de préférence, du polyéthercétonecétone (PEKK).
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dépôt du ou de chaque motif continu de fibre de carbone comprend le dépôt d’un pré-imprégné de fibre de carbone imprégnée d’un matériau thermoplastique choisi parmi le polyéthercétonecétone (PEKK), le polyétheréthercétone (PEEK)et le polyaryléthercétone à faible point de fusion (LM-PAEK) , de préférence du polyéthercétonecétone (PEKK).
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le pré-imprégné est un mélange d’au plus 60% en volume, de préférence 60% en volume, de fibres de carbone continues et d’au moins 40% en volume de polyéthercétonecétone (PEKK).
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) comprend la réalisation par fabrication additive de la partie complémentaire d’objet à partir de matériau thermoplastique et d’une empreinte de positionnement dans cette partie complémentaire d’une mâchoire servant au serrage des deux parties d’objet l’une contre l’autre lors de l’assemblage par soudage par résistance.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) comprend la réalisation par fabrication additive à partir de matériau thermoplastique des deux parties d’objet, avec sur chaque partie d’objet une empreinte de positionnement de la partie d’objet, de forme complémentaire de la forme de l’empreinte de la partie complémentaire, de sorte que les deux empreintes viennent coopérer par complémentarités de formes lors dudit assemblage par soudage par résistance.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) comprend la réalisation par fabrication additive de la partie complémentaire d’objet à partir de matériau thermoplastique et avec au moins une protubérance martyre, configurée chacune pour suivre un motif continu de fibre de carbone et entrer en contact avec ce motif continu de fibre de carbone avant d’appliquer le soudage par résistance.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape d’assemblage des deux parties d’objet par soudage par résistance en serrant les deux parties l’une contre l’autre et en appliquant une tension entre les deux extrémités du ou de chaque motif continu de fibre de carbone.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l’étape d’assemblage a lieu dans l’espace et la ou les étapes de fabrication additive avant assemblage, sur terre ou dans l’espace.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) comprend le dépôt par fabrication additive d’une alternance de couches de matériau thermoplastique et d’au moins une fibre de carbone continue.
13. Partie d’objet (12) ou objet (10), notamment un objet spatial, obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l’une des revendications précédentes.
14. Outil d’assemblage (20) par soudage par résistance, notamment pour la mise en oeuvre de l’étape d’assemblage de la revendication 10 ou 1 1 caractérisé en ce qu’il comporte deux mâchoires (21 a, 21 b) configurées pour serrer l’une contre l’autre deux pièces à assembler, au moins deux éléments de contact électrique (22) agencés à la périphérie de l’une des deux mâchoires de façon à pouvoir appliquer une tension entre les extrémités opposées d’au moins un motif continu de fibre de carbone porté par l’une des deux pièces, et une source de tension (25) alimentant les éléments de contact électrique, et en ce que les éléments de contact électrique sont montés à translation sur un support de l’une des deux mâchoires, chacun au moyen d’un axe (28) solidaire du support et portant un ressort de compression (29) interposé entre l’élément de contact électrique et ce support.
15. Outil selon la revendication 14, caractérisé en ce que les mâchoires sont chacune montées sur l’une des branches (26a, 26b) d’une pince robotique (24), le cas échéant par l’intermédiaire du support.
16. Outil selon l’une des revendications 14 et 15, caractérisé en qu’il comprend en outre une interface de communication à distance (28) adaptée pour recevoir des instructions de commande depuis la terre.
17. Objet spatial, notamment satellite (30) , comprenant un outil d’assemblage selon l’une des revendications 14 à 16 et facultativement une machine de fabrication additive.
18. Procédé de commande depuis le sol d’un outil d’assemblage selon l’une des revendications 14 à 16 et, le cas échéant, d’une machine de fabrication additive, comprenant l’envoi à l’outil d’assemblage et, le cas échéant, à la machine de fabrication additive, d’une séquence d’instructions configurée pour la mise en oeuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 12.
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