Structures sandwich et composites pour instruments astronomiques

Structures sandwich et composites pour instruments astronomiques

 

Bonjour à tous,

 

Je souhaitais depuis longtemps écrire ce post afin de faire partager mes réflexions sur l’utilisation des matériaux sandwichs et composites dans la construction d’instruments astronomique à vocation photographique ou visuelle nomade. C’est bien sûr en toute modestie que je mets ceci en ligne, et vous invite à me contredire et donner vos opinions afin d’ouvrir un débat constructif sur ce sujet passionnant.

 

L’utilisation des composites, et des sandwiches en particulier, n’est pas nouvelle dans le domaine de l’astronomie d’amateur, et on ne peut pas citer l’histoire de cette technique sans nommer Jacques Civetta , qui a été sinon le premier, en tout cas un précurseur dans l’utilisation particulièrement habile de ces matériaux. Son site est d’ailleurs bourré d’astuce plus particulièrement dans l’utilisation de sandwich mousse. D’autres après lui ont su tirer le meilleur parti des caractéristiques particulières de ce composite, on peut citer récemment Serge Vieillard par exemple et son incroyable T400-c poids plume (monolithique et sandwich balsa).

 

Etant moi-même possesseur depuis peu d’un bon diamètre en visuel, j’ai eu aussi, comme beaucoup, envie de me lancer dans la construction d’un astrographe.

 

Pourquoi faire léger ?

 

La première question qui m’est alors apparue a été de déterminer le cahier des charges du matériau à utiliser. J’ai ainsi noté :

 

- Rigidité spécifique importante (que d’autres traduiront par « masse faible », « spécifique » signifiant que l’on rapporte les propriétés mécaniques à la densité du matériau) ceci prenant en compte le fait que les sollicitations mécaniques de nos lunettes et télescopes sont surtout hors plan, c'est-à-dire que ceux-ci travaillent préférentiellement en flexion plutôt qu’en traction ou compression pure.

- Faible dilatation thermique (afin de garantir une faible différence de longueur engendrée par la dilatation thermique et d’ainsi obtenir une bonne tenue de la mise au point)

- Possible intégration de fonction (c'est-à-dire nombre de pièces limités, assemblages les moins nombreux possibles)

- Formes complexes d’un seul tenant possible

- Facilité de mise en œuvre

- Prix abordable (évidemment c’est très subjectif et dépend des moyens et envie de chacun…)

 

Le premier de ces points traduit la volonté d’obtenir un ensemble mécanique le plus léger possible. Par ensemble mécanique, on entend la totalité de la structure primaire, soit tous les organes essentiels à la réalisation des fonctions principales. On intègre donc bien sûr la structure porteuse (tube ou autre), mais également potentiellement les autres organes tels le barillet, l’ensemble du secondaire dans le cas où il est présent, et éventuellement le porte oculaire.

 

Pour les photographes

La raison principale derrière la volonté d’avoir la masse finale la plus faible possible est que pour une masse d’instrument donnée, il correspond une monture équatoriale donnée, déterminée par sa charge optimale. Si l’on parvient à bâtir un ensemble mécanique léger, on peut parvenir à faire correspondre une gamme de monture normalement réservée à la gamme d’instrument de diamètre inférieur. Les avantages sont alors un plus faible coût, et une facilité de déplacement accrue pour une astronomie nomade.

Pour s’en convaincre, jetons un œil sur le coût des montures en fonction de leur charge donnée pour « nominale », soit le coût du Kg transporté. Cela reste bien sûr relatif à ce que chaque constructeur se donne comme marge de « sécurité », et il est clair que certains sont plus prudents que d’autres. J’ai taché de donner les prix pour des équipements similaires (électronique minimum pour astrophoto, pas de trépied) mais il est parfois difficile de partager entre plusieurs options.

 

 

A une masse de télescope donnée, il existe une monture adaptée. Ce graphe montre clairement ce que nous savons tous, la masse d’une monture est liée à sa charge utile. Encore une fois les marges des constructeur ou leurs appréciations ne sont pas les mêmes.

 

 

Notion de taux d’échange : si l’on veut aller un peu plus loin, on peut s’amuser à diviser le prix de la monture par la charge utile, donc ce qu’est censé être capable de supporter la monture en astrophoto. Nous avons alors accès au coût du Kg supporté par une monture donné. Ayant accès à plusieurs types de montures de différentes charges utiles, nous pouvons estimer une notion connue dans le domaine des transports : le taux d’échange.

Il s’agit de savoir combien coûte un Kg gagné. Dans le domaine ferroviaire ou automobile, ce taux varie de 10 à 100 €/Kg, sur un avion commercial par exemple, ce taux peut varier de 200€/Kg à 1000€/Kg, et cela peut monter très haut dans les applications spatiales (plusieurs dizaines de milliers d’Euros le Kg gagné).

 

Nous pouvons ainsi évaluer combien nous « rapporterait » de gagner un Kg sur notre tube, c'est-à-dire combien nous couterait au Kg de tube le passage à la catégorie de monture supérieure si nous n’allégions pas notre tube.

On peut ainsi estimer le taux d’échange en astrophotographie entre 200 et 300€/Kg.

 

Le graphe suivant ne nous donne pas le coût du Kg gagné, mais le coût du Kg transporté, cela pourra nous aider à voir où trouver le meilleur compromis en terme de prix par rapport à la charge embarquée désirée.

 

 

Bien sûr nous savons tous que le choix d’une monture ne s’arrête pas à ces seules considérations (précision, qualité viseur polaire, transportablité, tension d’alimentation, SAV, équipements périphériques, etc.), mais cela donne selon moi de bonnes indications.

 

Pour les observateurs voyageurs

La nécessité d’alléger la structure est aussi imposée par l’astronome amateur désireux d’aller emmener son engin avec lui lors de voyages en avion. Aux contraintes de volume s’ajoutent dans ce cas celle de la masse. C’est tout naturellement que le bricoleur va s’orienter vers ces solutions, car elles sont susceptibles d’offrir une masse finale imbattable sans compromission sur la rigidité de l’ensemble.

 

Un des meilleurs exemples est le magnifique T400 de Serge Vieillard

 

Matériaux

 

Depuis l’antiquité l’homme utilise différent matériaux pour différentes applications. Voici un résumé très succin des matériaux les plus courants au regards de leur performance en termes de densité, résistance en traction et module en traction.

 

 

On s’aperçoit que les composites peuvent offrir les avantages cumulés d’une faible masse, d’une grande résistance et d’une grande rigidité

 

Le Web regorge d’exemple en tous genres de matériaux utilisé pour la confection de composites et sandwich utilisés de diverses façons. On peut citer, sans être exhaustif, par ordre croissant de performance et donc de coût :

 

Fibres : Verre, Aramide, Carbone (Haute Tenacité, Module Intermédiaire), …

Résines : Famille Polyester, Epoxy Cuisson Température ambiante (Bas Tg), Epoxy cuisson Haute température (Haut Tg), …

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

 

On distingue les matériaux composites monolithiques des matériaux sandwich. Les premiers sont simplement constitués de fibres (verre, carbone, autre) et de résine (Thermodure par exemple Epoxy ou Thermoplastique par exemple Polyester), alors que les seconds se caractérisent par deux peaux réalisées en matériau composite composées également de fibres et de résine, et d’une âme (balsa, mousse, nid d’abeille…) caractérisée en ce que son épaisseur est plusieurs ordres de grandeurs plus importantes que les peaux. Cette épaisseur n’engendre que peu de masse supplémentaire, mais apporte des propriétés hors plan considérables.

 

Voici une idée des capacités d’un matériau sandwich en comparaison avec son homologue monolithique.

 

 

Très synthétiquement, l’avantage du sandwich sur le composite monolithique est un gain de masse sur des pièces qui travaillant essentiellement hors de leur plan.

Par exemple, une poutre sandwich encastrée soumise à un effort vertical du haut vers le bas à son extrémité verra sa peau supérieure travailler en traction (sollicitant principalement la fibre de ces plis) alors que sa peau inférieure travaillera en compression (sollicitant majoritairement la résine de ces plis). La même poutre monolithique de même masse totale aura un comportement bien plus médiocre. L’épaisseur a joué son rôle (l’inertie peut se calculer pour s’en convaincre), et on met ici en évidence l’inutilité relative de la « fibre neutre » (celle du centre des plis monolithique) dans cette sollicitation.

 

On montre ainsi par exemple qu’un tube monolithique d’épaisseur par exemple 5mm tiendra certainement les charges et déplacements demandés par son utilisateur, mais qu’un tube de même épaisseur en sandwich aura le même comportement mais de masse bien inférieure.

 

Voici une idée des performances des différentes fibres en stratifié (alors que l’on trouve souvent des valeurs de fibres nues sans résine).

 

 

A noter un coefficient de dilatation faible voire nul du carbone, très intéressant pour les photographes afin d’éviter un changement de mise au point pendant les variations de température de la nuit.

 

 

Tissus et autre renforts

 

Je pense qu’il n’est pas inutile de faire un petit rappel sur ce que l’on peut trouver en terme de renforts pour composite. J’ai vu plusieurs fois sur ce forum et celui d’en face des questions sur ce sujet.

Pour faire simple, les matériaux de base sont des fils, eux-mêmes constitués de filaments. Ces fils sont ensuite mis en œuvre pour former les renforts. Ceux-ci se classent en plusieurs catégories, les plus courantes étant les tissus, les tresses, les multiaxiaux.

Les tissus sont faits sur métier à tisser, et on peut les reconnaitre à ce qu’ils ont une chaine et une trame, soit deux directions de fils. Ces tissus se différencient par

- leur masse au m²

- leur armure, c'est-à-dire la façon dont ces fils sont entrecroisés

- le type de fil utilisé

 

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

Pour nous autres amateurs bricoleurs, c’est surtout le coût qui va guider notre choix. Si j’ai un conseil à donner, c’est de réfléchir à la masse totale des plis à stratifier, c'est-à-dire quelle épaisseur on veut. On reviendra plus loin sur les ordres de grandeurs qui me semblent bon d’avoir en tête. A titre d’exemple et à la grosse louche, compter 0,1mm pour 100g/m² de renfort en carbone.

 

Une fois cette épaisseur donc masse surfacique totale de tissu déterminée, il suffit de choisir le tissu le moins cher pour atteindre cette masse totale. Si vous devez draper des surfaces compliquées, ne dépassez pas 200g/m², car le tissu pourra être plus difficile à déformer et à maintenir en place. Si vous n’avez que des surfaces planes ou simples, prenez le grammage le moins cher au Kg/m². Cela peut être deux plis de 200g/m², ou un seul de 400g/m². Attention, pour les puristes, je pourrai revenir sur ce point, c’est vraiment un énorme raccourci, mais cela peut aider les plus débutants à se lancer.

 

En résumé, ne tenez pas compte des arguments de certains vendeurs sur « c’est du 3K et c’est mieux que du 6K », ou bien « c’est un sergé avec des meilleurs propriétés dans le plan qu’un taffetas etc. ». Même lorsqu’il y a (quelques fois) un fond de vrai dans ce genre d’arguments, nous sommes à des parsecs de devoir en tenir compte dans la construction de nos engins. Les propriétés des fibres seront de loin prépondérantes dans le résultat final, en tout cas tant que le bricoleur n’est pas entré dans d’autres considérations telles que simulations numériques de déformation de structure, d’optimisation des masse et de procédé de mise en œuvre.

 

Voici l’ordre dans lequel un même tissu sera plus facile à difficile à déformer, mais sera aussi plus facile à manipuler (fils du bord qui se détachent, difficulté à maintenir le « droit fil »…) :

- satin 5 (plus déformable)

- sergé

- taffetas ou toile (plus stable)

 

 

Vous allez aussi trouver des renforts appelé Unidirectionnels (UD). Ceux-ci peuvent aussi également être tissés (mais aussi cousu ou tricoté), mais seule une direction (la chaine) est en fibre de renfort. La trame (le fil à 90° dans la largeur) n’a pour fonction que de maintenir les fils de renforts en place, et n’ont pas pour vocation à renforcer la structure. Ces renforts sont très utiles, et permettent d’exploiter au mieux les propriétés des composites en tenant compte la non isotropie possible du composite.

 

 

Matériaux d’âme

 

Je ne connais que très peu l’utilisation de mousse, mais on trouve assez facilement des pages web qui décrivent leur utilisation (voir pages web déjà citée de J .Civetta).

 

A noter en ce qui concerne les nids d’abeille, qu’il existe une version spéciale pour forme courbe. En effet, un nid d’abeille à cellule hexagonale se plie en déformation anticlastique, c'est-à-dire en selle de cheval. En d’autres termes, vous ne pourrez jamais faire un tube avec un nida à cellule hexagonale. Pour cela, il vous faudra opter pour des cellules rectangulaires ou en forme de vagues. La photo ci-dessous vous montre les cellules hexagonales (bas) et des cellules rectangulaires (haut) aptes à être déformées facilement.

 

 

Le Balsa est également très intéressant pour nous les amateurs. Voici un dessin qui montre la structure en alvéoles de ce bois aux remarquables propriétés.

 

 

En résumé, un sandwich doit être conçu pour satisfaire aux critères structuraux de base suivants :

- les peaux doivent être assez épaisses pour supporter les contraintes de traction et de compression

- l'âme doit être assez résistante pour supporter les contraintes de cisaillement

- l'âme doit être assez épaisse et avoir un module de cisaillement suffisant pour prévenir un flambage généralisé

- l'âme doit avoir assez de résistance à la compression pour empêcher l'écrasement du panneau sous charge normale

 

Inserts

 

Il existe plusieurs types d ‘inserts. Ces pièces mises dans le sandwich permettent d’assurer différentes fonctions telles que des assemblages vissés. Il existe des inserts en thermoplastiques mais nous préférerons les inserts métalliques plus faciles à trouver ou même à se faire soi même. Quelques exemples :

 

 

 

Les pièces ci-dessus ont l’immense avantage de se trouver en grande surface ou magasin spécialisé de bricolage. La résistance à l’arrachage de ces inserts est fonction de leur forme, diamètre, etc, mais peut être assez grande si ces pièces sont utilisées à bon escient.

Par exemple, et ceci est vrai spécialement pour les sandwichs avec âme en mousse, il est préférable d’insérer ces pièces dans des « blocs » à intégrer dans l’épaisseur du sandwich, afin que les efforts sur l’insert soit repris sur une âme plus résistante à l’arrachement, et sollicite les peaux sur une surface importante. Ces « blocs » pourront être par exemple en bois (pin, balsa, voir photo). L’insert pourra être collé, le bloc étant lui aussi collé à l’âme.

Un insert ne doit pas être mis tel quel dans l’âme surtout lorsque celle-ci à un module de cisaillement hors plan faible (cas des mousses).

Il est aussi possible d’insérer une pièce avec un épaulement important sous une peau et faire traverser une partie plus fine de l’autre coté de l’âme. Cette méthode est possible mais ne doit être utilisé que lorsque l’on connaît le sens de l’effort. Celui-ci devra évidemment s’appliquer de telle façon à solliciter l’épaulement en compression sur la peau. Dans le cas de forces tantôt en compression sur une peau, tantôt sur l’autre, il existe des pièces ressemblant à des « vis de reliure » (à chercher sur les moteurs de recherche).

 

Le must, pour les plus courageux, reste bien-sûr de se faire ses inserts en Alu sur mesure en fonction de l’épaisseur de son âme et de ses peaux, et de l’anodiser si utilisation de carbone (voir corrosion galvanique ci-dessous).

 

Corrosion galvanique des métaux par le carbone

 

L’association particulière du carbone avec des pièces métalliques peut engendrer un phénomène de corrosion galvanique. Celui-ci se traduit par la détérioration de la pièce métallique (poudre blanche) et est d’autant plus marqué que les deux éléments sont éloignés l’un de l’autre sur l’échelle galvanique. L’aluminium est ainsi particulièrement connu pour se détériorer au contact du carbone. A noter que la présence d’eau, qui plus est salée, accélère nettement le phénomène.

La solution la plus simple consiste alors à isoler le métal en contact avec le carbone. Cela peut se faire en intercalant un pli de tissu de verre entre les deux matériaux lorsque c’est possible, ou en traitant le métal par anodisation. Ces solutions ne sont à envisager que lorsque le métal rencontre réellement le carbone (perçage, inserts sur renforts secs avant imprégnation…), pas lorsqu’il est simplement en contact avec une surface carbone/epoxy (présence de résine isolante en surface).

 

Ce post traite notamment de la chose. Le graphique de l’échelle galvanique que j’avais mis à l‘époque a disparu du post, mais en voici un autre.

 

 

Structure

 

Aux critères matériaux s’ajouteront ceux de la structure à proprement parlée. Les plus fous ou les plus patients (dont je suis) pourront, afin de faire durer le plaisir ajouter un critère de compacité dans la conception de leur structure afin d’augmenter la transportabilité (et la complexité !). Il faudra néanmoins faire attention à ne pas grever la contrainte masse et tenue/répétabilité des réglages notamment de collimation dans le temps.

 

Nous n’aborderons pas ici le cas de l’allègement d’un autre organe principal, et pas des moindre, quelques fois même le plus lourd de tous les éléments, le(s) miroir(s) dans le cas de réflecteurs. L’avenir nous dira si on y reviendra dans quelques années…

 

L’utilisation des composites en général a souffert et souffre toujours d’un mimétisme avec les métaux. Beaucoup de structures, même parmi les plus complexes et récentes, ne sont que des copies fibre/matrices à peine déguisée de constructions métalliques. On appelle ça le « Black Metal ».

Toute la difficulté pour l’amateur désireux de sauter le pas dans le monde des composites est de s’affranchir de cette route toute tracée.

Quoi de plus naturel en effet que de dupliquer une conception métallique existante avec un matériau offrant par simple remplacement un gain de masse conséquent ?

 

Ayant cela en tête, l’astronome constructeur amateur intrépide pourra profiter pleinement d’une des armes maitresses du composite : l’intégration de fonctions. Cette notion est en fait plus innée qu’il n’y parait. On a tous en nous les principes d’assemblage vis/écrou, rivets, clous, etc. En réalité, le composite permet si on s’en donne les moyens (pas seulement financier, mais de motivation personnelle et de patience aussi) de s’affranchir de tout ceci et de concevoir une structure « toute intégrée » comme un enfant non pollué par les conceptions d’adultes pourraient le dessiner.

Pour l’exemple, je ne peux que me référer encore une fois aux superbes réalisations de Jacques Civetta, qui démontrent clairement ce principe.

 

 

Il n’a suffit que d’une seule pièce sans assemblage pour assurer plusieurs fonctions : support barillet, support secondaire et support PO.

 

Un autre bon exemple est un ce tube, intégrant un méplat sur lequel sera fixée la monture. Il sera ainsi inutile de rajouter des anneaux qui ne feraient qu’augmenter la masse embarquée.

 

 

C’est ce genre d’avantage des composite qui permet à une structure d’être allégée au maximum, car évitant les assemblages couteux en temps et en « surmasse ».

Un moyen intermédiaire possible est le collage définitif, qui s’avère pour être honnête quelques fois plus pratique pour de multiples raisons. J’entends par là la réalisation de plusieurs sous-ensembles et d’un assemblage par collage des éléments distincts.

 

Une particularité des matériaux composites - Isotropie

 

Les métaux si l’on généralise, ont des propriétés sensiblement équivalentes dans toutes les directions, on dit qu’ils sont isotropes. Lorsque ces matériaux sont utilisés dans des pièces de structures, le concepteur ne profite des propriétés de son matériau que dans certaines directions sans profiter de l’isotropie de son matériau en tout point de sa pièce.

Les matériaux composites tirent leurs propriétés de l’association d’un renfort et d’une résine. Si l’on peut considérer que ce second ingrédient a bien des propriétés égales en toutes directions, ce n’est pas du tout le cas des renforts. Ils sont pour la plupart plan, et leurs propriétés sont liées aux orientations des fils qui les composent.

Un des avantages des composites est ainsi de pouvoir profiter de ces orientations pour concevoir la pièce en conséquence. Ce peut être un avantage, mais aussi un inconvénient, les propriétés « en épaisseur » pouvant être difficilement importantes. La conception des structures devra donc idéalement tenir compte de cette non isotropie, en adaptant les drapages des renforts ainsi que leur nombre à la charge ou au déplacement maximal souhaitée.

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

 

Ceci est bien sûr vrai dans le cas des composites monolithiques ou sandwich.

 

Les règles de base d’une conception optimisée (« best practice »)

 

Cette partie est faite pour les concepteurs désireux de partir sur de bonnes bases ou d’optimiser leur design. Suivre ces quelques règles peut permettre d’éviter certain problèmes. Toutes ne sont pas complètement indispensables, mais toutes sont fondées. Je pourrai, pour ceux qui le veulent, donner les raisons de chacune de ces lignes

 

Ayant également le paragraphe ci-dessus en mémoire, on peut très succinctement donner les règles suivantes:

 

- Essayer d’avoir une structure symétrique, c'est-à-dire un empilement qui utilise des plis de même orientation de part et d’autre du centre de la pièce

- Utiliser une grande fraction de plis à +/-45° sur les zones soumises à cisaillement (torsion…)

- Utiliser une grande fraction de plis à 0° sur les zones soumises à chargement dans cette direction (se comprend bien intuitivement)

- Utiliser le drapage 0/90 - +/-45° (un tissu à 0° et le suivant à 45°) dans les zones « classiques » soumises à des sollicitations nécessitant un matériau quasi-isotrope

- Minimiser les concentrations de contraintes en renforçant les zones fragiles (cela peut se savoir plus ou moins intuitivement ou en utilisant un logiciel de simulation numérique)

 

Que pouvons-nous faire, nous les amateurs ?

 

On s’aperçoit que bons nombres des caractéristiques du cahier des charges énoncé au début ont des points communs avec d’autres domaines que l’astronomie instrumentale, comme certains secteurs industriels, le sport de compétition, ou l’aéronautique. Les matériaux en questions (composite et sandwich) sont ainsi utilisés dans ces domaines depuis parfois plusieurs dizaines d’années.

 

C’est donc tout naturellement que dernièrement des sociétés tels qu’ ASA http://www.astrosysteme.at/eng/hot.html en Europe, ou Dreamscopes http://www.dreamscopes.com aux Etats-Unis ont commencé à proposer des instruments à base de composite et de sandwich utilisant des techniques déjà éprouvées dans ces domaines hors astro.

 

Face à ces sociétés offrant du matériel haut de gamme à des prix souvent dissuasifs, que peut-on, nous les amateurs, espérer développer de nos mains ?

 

Le but de ce post n’est pas de faire une liste exhaustive des matériaux disponibles sur le marché, ou de décrire toutes les possibilités de mise en œuvre. Il est évident que le prix des matériaux et des périphériques nécessaires à la réalisation des pièces va grandement influencer le choix du bricoleur.

 

En fonction de ce critère de coût, il conviendra à chacun de savoir où il veut mettre la barre en termes de performance, et voir ce qu’il a à gagner à faire soi-même son réflecteur. Les motivations peuvent être uniquement financières, mais sont à mon avis aussi voire quelque fois surtout de l’ordre de la passion et de la satisfaction du « fait maison ».

 

En pratique, ceux qui comme moi se lanceront vont peut-être s’apercevoir que l’on atteint vite une limite financière également, car qui dit intégration dit complexité des moules et outillages à mettre en œuvre. C’est là que l’amateur devra se creuser la tête pour faire baisser les coûts de ce qui n’est au final pas sur la structure…

 

Des exemples réalisés ces derniers temps, en attendant la suite…

 

Afin d’illustrer tout ceci, et en préparation à la réalisation de mon Astrographe, j’ai réalisé quelques éléments simples de démonstrateurs qui ont servi à valider les principes de mise en œuvre de certains de ces matériaux J’ai ainsi pu me rendre compte des difficultés et des écueils qu’il me faudra éviter lors du passage à la construction proprement dite.

 

Les matériaux alors en ma possession (chutes) étaient des tissus de carbone de 300g/m² équilibrés (c'est-à-dire 150g/m2 dans une direction 0° et autant à 90°), de la résine polymérisable à l’ambiante et du nid d’abeille Nomex de 8mm d’épaisseur.

 

Voici la liste du matériel et des périphériques nécessaires à la réalisation des démonstrateurs ci-dessous. Les prix sont disponibles sur les liens des fournisseurs donnés plus bas.

 

- Pompe à vide ou pompe de frigo trafiquée

- Connecteur vide

- Tuyau pour le vide

- Pinceaux

- Rouleaux débulleurs (ou « ébulleurs » selon les régions)

- Mastic

- Scotch

- Plaque de verre ou tout autre matériau non poreux

- Bâche à vide

- Film ETFE ou cire de démoulage

- Tissu d’arrachage (« peel-ply », non indispensable, mais peut-être utile)

- Ciseaux

- Cutter plat et circulaires

- Papier essuie-tout

- Blouse

- Gants étanches

- Solvants pour nettoyage

- Balance de cuisine (à ne pas remettre dans le placard au dessus de l’évier après usage…)

- Vernis et autre ustensiles pour aspect de surface (mais quand on en est là on est content…)

- Moule ou tôles pliées en tout genre, c’est là que ça devient drôle…

- …

 

J’ai évolué en plusieurs étapes, et je suis loin d’avoir fini, il faut dire que je me suis un peu compliqué volontairement la vie avec la contrainte de compacité, mais ça m’amuse…

Il est d’ailleurs possible que j’enlève cette contrainte si je vois que cela me complique trop la tache.

Etant donné que je n’en verrai probablement pas le bout avant plusieurs mois/années, je vous livrerai les étapes au fur et à mesure de mes avancées. Voilà où j’en suis aujourd’hui.

 

Validation 1 : Plaque plane simple

 

 

Validation 2 : Simple courbure (Equerre simple)

 

 

Validation 3 : Simple courbure : Tube D300mmxL400mm

 

 

Validation 4 : inserts (indispensables à priori au moins pour l’attache du tube à la platine de la monture dans le cas d’instruments pour la photo, mais cela peut servir à différents autres endroits, y compris pour les Dobson de voyage utilisés en visuel)

 

 

Validation 5 : Coin de malle, toujours en nida, mais une version monolithique plus fine mais un peu plus lourde sera peut-être utilisée au final. Première pièce effectuée sans mise sous vide, avec fabrication d’un moule contre moule. Photo comme d'habitude sortie d'atelier, sans aucune finition ou ponçage.

 

 

Exemple de mode opératoire pour réaliser une plaque simple avec la méthode d’imprégnation manuelle

 

1) Découper vos deux morceaux de tissus (un par face du sandwich) à la taille finale désirée augmentée d’environ 5cm

2) Découper votre nida (ou mousse) à la taille voulue augmentée d’environ 5cm

3) Préparer votre mélange Résine + Durcisseur dans un pot lisse

4) Disposer un film ETFE ou de la cire de démoulage sur une plaque en aluminium ou une vitre assez épaisse, de telle sorte à ce que la zone protégée dépasse largement de la zone qui verra la résine

5) Déposer le premier pli de renfort sec sur la zone protégée (film ou cire)

6) Imprégner ce premier pli avec votre mélange résine + durcisseur (sur la forme ou à part selon la tenue du renfort une fois imprégné. Pour ce faire, badigeonner le pli avec la résine au pinceau, et appliquer le rouleau débulleur jusqu’à ce que le pli ne montre plus de zones sèches.

7) Déposer l’âme

😎 Imprégner le deuxième pli avec votre mélange résine + durcisseur directement sur le matériau d’âme

9) Déposer un cordon de mastic autour de la plaque, en prenant soin de laisser la totalité du film à l’intérieur de la surface dans le cas de l’utilisation d’un film de démoulage

10) Découper un morceau de bâche à vide dans lequel vous disposez le connecteur à vide relié à la pompe

11) Déposer la bâche à vide sur votre pièce et collez là au mastic en prenant soin de ne pas créer de zone de passage d’air

12) Vérifier le bon niveau de vide (manomètre pratique à cette occasion)

13) Défaire les plis de bâche au cas ou vous en apercevez en relâchant le vide par intermittence (ou jouer avec le tuyau en le pinçant pour faire retomber le vide)

14) Laisser la résine polymériser (entre 4 et 8 heures selon la référence et la température)

15) Couper le vide

16) Débâcher

17) Détourer la pièce à la scie circulaire diamantée à eau ou avec une simple scie à bois en se protégeant des poussières avec un masque et en arrosant d’eau

18) Finition : vernis PU ou brut

 

Exemple de mode opératoire pour réaliser un tube avec la méthode d’imprégnation manuelle avec un tube carton

 

 

1) Choisissez un tube carton au bon diamètre et à la bonne longueur

2) Enveloppez le de film de démoulage en prenant soin de bien le tendre, sans plis

3) Découpez ses plis de carbone et son nida. Les plis de renfort devront être plus grand d’environ 80mm de la circonférence. Attention, un des deux plis sera plus grand (rayon extérieur).

4) Le nida sera coupé de préférence en biseau afin d’éviter tout problème de fente à la jonction. Ceci est d’autant plus vrai que le diamètre du tube est petit.

5) Préparez le mélange résine durcisseur. Comptez environ 40% à 50% de résine en masse pour le composite final, l’optimum étant à 35%. Toute résine superflue ne sera que de la masse inutile. Utilisez un récipient de préférence sans aspérités.

6) Imprégnez au pinceau puis au débulleur. Insistez bien dans toutes les directions

7) Enroulez votre tube sur le premier pli de renfort préimprégné (le plus petit). Si vous comptez mettre des sones renforcés en bout, faites le maintenant. Ceci peut par exemple être utile si vous désirer attacher des pièces mécaniques au tube aux extrémités. Les inserts sont bien sûr aussi possible (voir ci-dessus).

😎 Prenez soin de soigner l’alignement des bords et d’éviter la distorsion des fils et rabattez le bout du tissu en le plaquant avec le débuleur sur lui même. Il tiendra alors en place par sa propre pégosité (tack).

9) Placez le nida autour du premier pli. Afin d’éviter qu’il ne se déroule, utilisez du ruban adhésif le plus fin possible. Celui-ci sera noyé sous le pli supérieur et n’aura pas d’impact visible sur les propriétés mécaniques du tube. Ne pas tout de même en mettre trop, mais suffisamment pour que le nida ne fasse pas de bosse. Ceci facilite très efficacement le placement du second pli. Procédez ensuite comme précédemment, et prenez également soin de ne pas créer de poches d’air, en les marouflant avec le rouleau débulleur.

10) Préparez votre sac à vide

11) Tirez le vide en prenant soin que le sac ne fasse qu’une ligne sur le tube afin de ne faire qu’un pli de résine qu’il suffira d’éraser après cuisson.

12) Après cuisson (à température ambiante c’est plus simple si vous avez choisi la bonne résine), découper le sac.

13) Le sac n’a fait qu’un petit pli à l’endroit déterminé en 11)

14) Vous avez votre tube sandwich prêt, mais il reste à éliminer le tube carton

15) Placez du ruban adhésif blanc sur les deux extrémités afin de délimiter la zone de coupe. A l’aide d’une scie égoïne, et une fois muni d’un masque respiratoire, découper le long du ruban.

16) Plongez le tube ainsi découpé dans l’eau pendant un bonne demi-heure et autant de fois que nécessaire si les étapes suivantes vous paraissent difficile. Pas de crainte d’humidifier le nida, les cellules du nida sont étanchées par le pli de carbone cuit. Arracher par bout le carton rendu très fragile par sa période dans l’eau.

17) Votre tube est presque prêt, il suffit d’enlever le film de démoulage mis à l’étape 2)

18) Votre tube est fini. Les extrémités peuvent être recouvertes par diverses pièces ou par une couche de préimprégné à éraser après cuisson.

 

 

Fournisseurs

 

Voici une liste non exhaustive de fournisseurs de matériaux tels que décrits ci-dessus. Vous pouvez trouver leurs catalogues en ligne en recherchant leurs noms sur les moteurs de recherche:

 

SF Composites

Polyplan

Sicomin

COS Outillages

Atelier Du Composite

Composite Solutions

MAP Yachting (les rois du coating)

Esprit Composite

Jenny&Co

Neovents

Power Composite

Havel Composites

Discount Composite

Espace Modele (modélisme avec une partie composites)

Pyrennes Modeles (modélisme)

 

 

Mots clefs

Pour plus de recherches sur le sujet, les mots clefs sont :

composite carbone, nid d’abeille, honeycomb, fasteners, inserts, sandwich structure, skin, core, galvanic series

 

A travers ces quelques paragraphes, j’espère vous avoir convaincu que les seules limites qu’ont les astronomes amateurs dans l’utilisation des matériaux composites et sandwich sont leur imagination…une bonne dose de courage et un peu de moyen financier.

 

Amicalement,

JMarc

 

 

 

 

-------------------------- Newton D410 / F1610 corrigé -----------------------------

 

 

 

 

Design possible (à murir…)

 

 

Il sera dessiné prochainement pour intégration des éléments (barillets etc. le plus finement possible). La partie noire est un méplat pour s’affranchir de colliers. La partie araignée est à revoir.

 

barillet

 

Il sera intégré à la structure par-dessous, avec démontage possible une fois le télescope pointant au zénith. Son design est indépendant de celui du télescope et peut donc démarrer.

Il sera sur rotule afin de maintenir une mise au point fixe indépendamment du réglage de collimation. Une question importante reste en suspend, à savoir un possible problème d’astigmatisme lorsque le télescope sera sur un seul point d’appui proche de l’horizontale et jusqu’à environ 30°. Je regarde les possibles solutions.

 

- Septembre 2014 - Maintenance pour problème d'affichage - Passage d'Imageshack à un hébergeur personnel -

- Avril 2020 -  Maintenance: remise en place des figures ayant disparues

Modifié 28 avril 2020 par JMBeraud

Magnifique dossier, bravo !

 

Ces matériaux composites sont très intéressants mais je trouve que pour l'instant et pour l'application qui nous préoccupe, ils sont trop "en avance" par rapport à l'optique qui semble pour l'instant incapable de se démarquer du verre de forte épaisseur pour le miroir primaire .

 

Ce que je veux dire c'est que ces magnifiques matériaux alliant légèreté, résistance, précision même s'ils permettent de réaliser à condition d'en maitriser la technique, des instruments incroyablement plus légers qu'avec des matériaux traditionnels, se heurtent au poids incontournable du miroir primaire, ce qui peut poser des problèmes d'équilibrage .

 

Le jour où on saura faire des miroirs en nid d'abeille carbone, là ça changera tout !

Bonsoir

Alors là bravo Jean-Marc.

Beau boulot de synthèse qui peut de suite aller dans la Wapédia ou en tête du bricolage.

Une mine d'informations et en plus avec d'autres épisodes à suivre.

Bonne nuit.

Luc.

hola ! jean marc excellente cet entrée en matiere, bravo !

en esperant pouvoir mettre un peu d'eau dans la cruche , je met ton post dans mes favories;)

Paul Emile, je comprends ton message, et je fais également mention de la masse des optiques, je comprends bien le problème... Ceci dit, il faut bien commencer quelque part, si on veut alléger un téléscope, le plus simple est encore de commencer par sa structure. Le reste suivra peut-être dans les prochaines décénies.

Quant à l'équilibrage, ce n'est vraiment pas un problème, il suffit de trouver le centre de gravité du système, et celui-ci existe toujours, la masse de la structure ne fait que le déplacer.

 

Luc et William, merci pour vos commentaires, je ne manquerai pas de compléter au fur et à mesure, même si je suis un peu occupé en ce moment, et que cela n'avance pas aussi vite que j'aimerai...On en est tous là

JMarc

adéu j'espere bien qu'il ne faudra pas attendre une decenies , que ça va etre peut etre réaliser dans pas longtemp !lolll

http://www.astrosurf.com/centaurus/600/600g/17.jpg

faut essayer !

Oui Wiliam, j'ai vu ça, on pourra en reparler...

JMarc

Beau boulot de synthèse qui peut de suite aller dans la Wapédia ou en tête du bricolage.

 

+1

 

Cet article, trèèèès complet, mérite sa largement sa place dans la wapédia.

 

Chapeau pour la rédaction d'un tel article.

Excellent! Merci.

Merci Jean-Marc pour cette superbe synthèse

+1

 

Merci et encore merci !!!

 

J'avoue que je "bave" un peu devant le 400 de Serge ...

Le composite, j'y pense depuis un moment: Ce fantastique article va certainement m'aider ...

 

 

Franck.

+1

 

Merci et encore merci !!!

 

J'avoue que je "bave" un peu devant le 400 de Serge ...

Le composite, j'y pense depuis un moment: Ce fantastique article va certainement m'aider ...

 

 

Franck.

 

Même si on peut trouver d'excellents composants : résine époxy, tissu de verre, de carbone et de kevlar, la réalisation de structures avec ces matériaux n'est pas évidente .

Pour obtenir le meilleur de ces matières il faut pouvoir polymériser la résine dans de bonnes conditions : mélange adéquat, étuve à bonne température, voire mise en dépression ... c'est pas gagné !

Mais non il ne faut pas avoir peur.

 

- Mélange adéquat: une balance suffit en lisant les proportion sur les bidons du fournisseur

- Etuve à bonne température: inutile, prendre de la résine polymérisable à température ambiante

- Mise sous vide: oui c'est mieux, mais c'est soi un investissement de l'ordre de 400€, sous un bricolage de pompe de frigo par exemple

 

Mon post a aussi pour but de dédramatiser l'utilisation de ces matériaux. Avec un peu de préparation, ça va tout seul.

 

Fonce Franck. Je pourrai répondre si tu as des questions, et je ne suis pas le seul à pouvoir répondre.

 

JMarc

Modifié 4 décembre 2009 par JMBeraud

oui, il faut dédramatiser ce genre de bricolage -et les autres aussi d'ailleurs...

 

C'est ce que j'ai tenté de montrer sur le site du T400-c. On le voit, juste un peu de méthode. J'ai même simplifié la mise en oeuvre en écartant volontairement la pompe à vide.

Le seul vrai problème : c'est crado !!!!! et c'est plus long que de coller/clouer du CTP.

 

Serge

C'est que j'ai juste des souvenirs de réalisation de flotteurs de planche à voile autour d'un pain de mousse polystyrène expansé de forte densité, recouvert de tissus de verre et de renfort de carbone, kevlar ( abominable à découper !) puis imprégnation à la résine époxy, puis passage du rouleau anti-bulles ...

La solidité et la rigidité de l'embarcation était très nettement améliorée par une polymérisation sous étuve .

Donc réalisation d'une boite en plaques de polystyrène épaisses et collées, avec un radiateur soufflant à l'intérieur ! Quel bordel !

 

C'est certain que réaliser de plus petites pièces n'est certainement pas problématique, il faut une bonne organisation mais c'est finalement comme pour toute réalisation quelle qu'elle soit .

Oui je comprends.

En effet une post-cuisson améliore les performances mécaniques des résines polymérisables à l'ambiante, mais on a de toutes façons tendance à faire (à quelques exceptions près) des chars d'assault qui pourraient résister à 100 fois les sollicitations en masse qu'on leur fait subir.

Inutile donc de passer pas une post cuisson à mon sens. Celui qui veut le faire pourra par exemple laisser son engin dans sa voiture au soleil, la fiche fournisseur lui indiquera qu'en augmentant le temps de post cuisson, même à "basse température genre 60°C", les effets sur la polymérisation et les performances mécaniques seront perceptible.

 

On peut faire de grandes pièces sans problème, mais comme on l'a bien dit en s'organisant. Et plus c'est grand, plus il faut s'organiser...

 

JMarc

Modifié 4 décembre 2009 par JMBeraud

et ben dis donc, un sacré post, je comprends qu'il t'ai fallu un peu de temps pour le faire.

 

C'est intéressant tout ce que tu nous montre. Le site de Serge aussi sur le T400 est intéressant et ça montre que des choses sympas pour faire du léger qui va bien en rigidité aussi.

 

Une question me vient en voyant la fibre de carbone : et le fibre de verre? ça pourrait aller aussi? par rapport au carbone ça donne quoi? Parce que du tissu de fibre de verre ça se trouve bien, la résine facile aussi et au niveau du cout c'est peut être moins important. je pose la question.

 

En tout cas chapeau, un sacré sujet que voilà

et ben dis donc, un sacré post, je comprends qu'il t'ai fallu un peu de temps pour le faire.

 

C'est intéressant tout ce que tu nous montre. Le site de Serge aussi sur le T400 est intéressant et ça montre que des choses sympas pour faire du léger qui va bien en rigidité aussi.

 

Une question me vient en voyant la fibre de carbone : et le fibre de verre? ça pourrait aller aussi? par rapport au carbone ça donne quoi? Parce que du tissu de fibre de verre ça se trouve bien, la résine facile aussi et au niveau du cout c'est peut être moins important. je pose la question.

 

En tout cas chapeau, un sacré sujet que voilà

 

 

On peut certainement utiliser de la fibre de verre majoritairement et ne mettre que des renforts en carbone ou kevlar à certains endroits, il reste à déterminer les emplacements judicieux où placer ces renforts .

 

Pour les planches à voile j'utilisais des bandes de fibre de carbone de 10 cm, placées longitudinalement pour améliorer la rigidité . On peut imaginer la même disposition pour un tube de scope .

En fait il m'a surtout fallu du temps pour me decider à écrire ce que j'avais en tête.

Oui bien sûr le verre ça fonctionne bien, Jacques Civetta par exemple n'utilisais quasiment que ça de mémoire. Je mettrai ce week-end les performances des laminés verre et carbone en comparaison. Pour être bref, c'est moins cher, mais c'est plus lourd (densité) et c'est moins performant mécaniquement. AUtre chose imporatn pour la photo, le coef de dilatation thermique est bien plus grand pour le verre que pour le carbone (voir lien donné sous le tableau des performances méca).

Ayons en tête qu'environ 95% en masse des composites dans le monde utilisent des fibres de verre.

JMarc

Modifié 4 décembre 2009 par JMBeraud

Toujours très interressant, ça donne vraiment envie de s'y mettre !!

 

On attend tous la suite ....

 

JP

Pour information, je viens de compléter la partie matériaux, mécanique et textile.

 

JP, pour les manips, les week-end dispo se comptent sur les doigts d'une main, mais ça va continuer à avancer tout doucement mais très sûrement...

Et toi avec le 600, pas trop mal aux bras?

JMarc

Article rajouté à la Wapédia (rubrique Bricolage)

http://www.webastro.net/index.php?wapedia=208

Salut JM

 

Le 600 ne me fait pas mal au bras, moi je n'en ai pas pris, je m'occupe juste de la machine avec William. La semaine prochaine l'excentrique devrait tourner je ne manquerai pas de faire une petite vidéo sur mon site.

 

Puis, au niveau "temps libre" c'est comme tout le monde, y en a jamais assez....

 

JP

Oui JP, c'est vrai j'ai vu ça sur le post de Dobcat. En tout cas bonne aventure, je suivrai ça sur ton site.

 

Kiwi, merci!

 

A bientôt,

JMarc

 

++ Ajout dilatation thermique dans le post initial

Modifié 5 décembre 2009 par JMBeraud

L'intérêt que je vois à la post cuisson c'est surtout que les résines profitent souvent d'une capacité d'allongement et de résistance à la rupture qui est supérieure. Je ne raisonne pas qu'en "usage standard" des pièces mais plutôt au petit accident qui peut arriver en transport ou lors montages.

 

Pour la pompe à vide, je vois l'intérêt de pouvoir avoir des formes plus complexes et des tissus plus raides qui viennent se plaquer en douceur à la mousse en éliminant pas mal de poche de vide. Le côté meilleur ratio résine/fibre est intéressant mais c'est surtout la souplesse de mise en forme qui prime.

 

Après, c'est évident que tout cela complique singulièrement les manips et que l'usage standard des résines mousses et fibres apporte déjà un sacré gain comparé aux matériaux classiques utilisés sur nos dobs.

 

Pour les matériaux en eux même, c'est certain que l'on peut utiliser du verre et renforcer avec de l'unidirectionnel carbone là où il faut. Pour des pièces devant être légère ET rigide, le carbone apporte un gain important il faut le reconnaître. La densité n'est vraiment pas la même. L'étape d'imprégnation est bien plus aisée avec du verre ou le passage de la fibre en "transpartent" permet de bien visualiser les zones mouillées alors qu'avec le carbone, c'est plus délicat...

Modifié 7 décembre 2009 par Diabolo

Est-ce que des plaques en structure "nid d'abeille" existent en forte épaisseur, c'est à dire 50 à 100 mm ? Est-ce que cela existe en fibre de carbone ?

 

Ne serait-il pas envisageable de découper un disque, disons de 600 mm pour commencer, dans ce matériau puis de faire une ébauche parabolique sur une de ses surfaces et de recouvrir cette face de tissu de verre et carbone afin d'obtenir une surface lisse et homogène et ensuite parfaire le polissage après avoir étendu plusieurs couches de "gel coat" ?

adéu paul emile! c'est possible et même a l'étude! ne plus utilisé de verre !ça n'est venue lorsque j'ai rectifier le dos de la cellulle de carbonne... ça ce polie , il me faut cependant finir celui qui est commencé

Oui, du nida épais de 50 à 100mm existe. Oui cela existe en carbone. Tout est envisageable, et beaucoup de choses ont déjà été faites, il y a de la littérature sur le sujet. Le choix des matériaux est crucial.

 

JMarc

Oui, du nida épais de 50 à 100mm existe. Oui cela existe en carbone. Tout est envisageable, et beaucoup de choses ont déjà été faites, il y a de la littérature sur le sujet. Le choix des matériaux est crucial.

 

JMarc

 

Bon et bien il n'y a plus qu'a ! Trouver une plaque en nid d'abeille carbone de bonne épaisseur, découper un disque dedans, puis réfléchir à la confection d'un outil pour l'abraser comme pour un disque de verre, cela devrait être bien plus rapide ... Ensuite combler les alvéoles avec du tissu de carbone + résine et renforcer la tranche du futur miroir avec le même type de stratifié et enfin reprendre le polissage pour obtenir une surface optiquement utilisable puis aluminure et voilà !

Qui s'y colle le premier ?

Il faudrait prendre quoi comme nid d'abeille pour ce genre de sport? Pas nécessairement carbone, juste de quoi faire un bon stratifié avec de l'epoxy/fibre (verre ou carbone). Est-ce facile à trouver? Dans des épaisseurs pas trop grandes, 20 à 30mm... J'envisageais le polystyrène extrudé aussi.

Modifié 8 décembre 2009 par vincent.becker