CONCEPTION ET ELABORATION DES STRUCTURES ALVEOLAIRES DU CERAM

Le besoin constant de panneaux travaillants en composite de plus en plus légers et résistants pour une rigidité de flexion équivalente à celles des structures déjà présentes sur le marché, a conduit les chercheurs à développer au fil des années de nouveaux matériaux composites ou de nouveaux concepts de structures en composite. La première voie de recherche permet d’améliorer les performances des structures sandwichs traditionnelles en jouant sur la nature et la composition des constituants les composant, et de les adapter aux exigences de plus en plus contraignantes des concepteurs.  La seconde voie est celle qu’à prise le Centre d’Enseignement et de Recherche en Analyse des Matériaux (CERAM) de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées en portant ses efforts sur le développement d’une technologie de structures alvéolaires en matériau composite permettant de concevoir et d’élaborer des structures sandwichs à âme creuse triangulaire (en A) d’une très grande légèreté et surtout très rigide en flexion. Le CERAM a eu pour objectif de proposer une solution de panneaux fléchissants qui intègre les avantages des panneaux sandwichs classiques en éliminant leurs inconvénients liés essentiellement à leur mode d’endommagement principal: la décohésion des interfaces âme/peaux. La première partie constitue une synthèse sur les recherches qui ont conduit à la conception des structures alvéolaires du CERAM. Elle évoque les premières études de simulation du comportement mécanique de ces structures, réalisées avec le code de calcul SAMCEF, dont l’objectif a été d’évaluer leur potentiel. Ces études ont ensuite permis d’optimiser la géométrie du composite alvéolaire et de définir en conséquence les choix technologiques adaptés.

Enfin, la dernière partie aura pour objectif de vérifier si les méthodes de fabrication permettent effectivement de fabriquer les structures alvéolaires que l’on aura dimensionnées, et ainsi de voir si les calculs numériques validant le concept de structure alvéolaire à âme triangulaire, n’étaient pas trop optimistes. Il s’agira de confronter le comportement réel et le comportement simulé des premiers prototypes en effectuant des essais de flexion et les calculs par éléments finis correspondants. Fort de son expérience acquise dans le domaine des matériaux composites, le CERAM a développé une technologie de composite alvéolaire pour élaborer des panneaux de type sandwich, à âme creuse constituée par un assemblage de tubes creux, et de deux peaux qui enserrent l’âme, fabriquées avec un matériau composite préimprégné (brevet n°9204083). Il s’agit d’une technique de moulage de pièces composites par pression d’air, où la mise sous pression s’effectue pendant le processus de polymérisation, à l’intérieur de la structure, pour que celle-ci soit creuse. La particularité de cette technologie est de pouvoir réaliser les différents constituants (peaux et âme) des pièces à partir d’un même matériau composite préimprégné. Les premiers panneaux alvéolaires, élaborés au laboratoire du CERAM avec cette technologie, étaient des structures creuses à formes d’âme classique, soit à section rectangulaire (structure en O), soit en oméga (structure en Q.) (figure 3.1), que l’on trouve à l’heure actuelle de plus en plus sur le marché des composites (GangaRao et al 1996), (Head 1992), (Smith 1990).

Pour élaborer les structures en O, il suffit de venir placer dans un moule métallique, des enroulements (ou chaussettes) crues, fabriquées à partir de bandes de préimprégné, entre deux peaux crues stratifiées constituées du même matériau, puis de mettre en pression les chaussettes en composite. Ce procédé d’élaboration permet ainsi d’obtenir îa forme rectangulaire de la structure en O sans aucunes difficultés techniques particulières. Pour fabriquer les structures en Q, la mise en place dans le moule était aussi simple. On utilise à la place des chaussettes en composite, des chaussettes en élastomère non drapées, autour desquelles, alternativement en dessus et en dessous, on fait passer une troisième peau. Ces méthodes de fabrication ne demandent qu’une seule opération de polymérisation. Du point de vue du comportement mécanique, ces structures possèdent d’excellentes propriétés mécaniques dans l’axe des alvéoles (axe e2 sur la figure 3.1). Par contre dans l’autre direction d’orthotropie (axe e,), les propriétés mécaniques en flexion notamment s’effondrent, du fait de la forme de l’âme qui empêche de reprendre correctement les efforts dans cette direction (Philippe 1993), (Naciri, Philippe et al. 1994). La volonté du CERAM d’obtenir une structure qui soit mécaniquement plus performante, dans la direction perpendiculaire aux cavités, l’a donc conduit à envisager une autre forme d’âme pour ses composites alvéolaires, en s’inspirant de ce qui existe dans des secteurs d’activités comme le génie civil ou le transport. L’objectif en définitive, étant de pouvoir rivaliser avec les meilleurs composites sandwichs sur le marché.