FR2969898A1 - Reseau electrique integre a un element de structure - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à une pièce (20, 30) de structure comportant au moins une couche (21) électriquement conductrice, ladite couche comportant un substrat (11) flexible, électriquement isolant, supportant un ensemble de pistes (13) constituées d'un matériau électriquement conducteur ; ladite pièce de structure comportant une première partie (23) et une deuxième partie (22) situées dans le prolongement l'une de l'autre, la couche conductrice étant monobloc sur lesdites deux parties ; la première partie (23) comportant en outre au moins une couche (25) structurale flexible ; la deuxième partie (22) comportant en outre au moins une couche (26, 27) structurale rigide ; ladite couche rigide supportant un moyen (28) de connexion électrique auquel est reliée électriquement au moins une piste supportée par la deuxième partie (22) de la couche conductrice. Une telle pièce de structure permet d'intégrer une partie du système électrique d'un aéronef à la structure de ce dernier, ce qui engendre notamment un gain de place, de masse et des facilités d'installation.

Description

RESEAU ELECTRIQUE INTEGRE A UN ELEMENT DE STRUCTURE

La présente invention se rapporte à un réseau électrique intégré à un élément de structure, cet élément pouvant faire partie d'une structure travaillante, ou encore constituer une pièce d'habillage et de protection. La présente invention concerne plus spécifiquement le domaine des transports, particulièrement l'aéronautique. Un aéronef comporte typiquement plusieurs systèmes électriques et/ou électroniques, comme l'avionique ou le réseau de distribution de puissance.

L'installation de ces systèmes électriques / électroniques nécessite le déploiement d'une grande quantité de faisceaux de câbles, qui sont placés par exemple le long des structures primaires. Ces câbles sont encombrants et leur présence ajoute une masse conséquente à la masse totale de l'aéronef. Il faut y ajouter l'encombrement et la masse des supports spécifiques qui solidarisent lesdits câbles à la structure de l'aéronef. Par ailleurs, les câbles déployés le long des structures sont exposés à d'éventuels endommagements mécaniques. La multiplicité des câbles pose également des problèmes au niveau des interconnexions électriques, notamment au niveau des armoires électriques.

Tout d'abord, les opérations d'installation des interconnexions électriques d'un aéronef sont particulièrement longues et complexes, puisqu'elles exigent des étapes de dénudage de câble, sertissage et enfichage pour des milliers de points de connexion. De plus, étant donné le grand nombre de câbles, la configuration des interconnexions génère fréquemment des perturbations électromagnétiques importantes, qui impactent de manière significative l'efficacité du système électrique. Il est connu du document FR2924894, au nom de la Demanderesse, d'intégrer un réseau de câbles directement dans une pièce de structure travaillante en matériaux composites. Cette solution permet notamment de s'affranchir de la masse des supports de câbles, mais pas de la masse des câbles eux-mêmes. Par ailleurs, les structures rigides en matériaux composites, telles que décrites dans le document FR2924894, présentent l'avantage de pouvoir incorporer des moyens de connexion électrique, tels que des connecteurs directement reliés aux câbles intégrés dans la structure. Néanmoins, la rigidité de ces structures ne permet pas de les installer au contact d'éléments existants, de manière à épouser la forme desdits éléments. Ce type de structure est donc inapproprié à l'habillage d'une structure primaire d'aéronef. De plus, il est connu que les réseaux électriques/électroniques d'un aéronef subissent des contraintes mécaniques importantes, notamment de type vibrations. Il est fréquent que ces vibrations engendrent des ruptures de connexions électriques, qui sont par exemple réalisées par brasage ou soudage au niveau des connecteurs. Il existe donc un besoin d'intégration de réseaux électriques dans des éléments de structure, permettant une adaptation de forme et offrant une meilleure résistance aux vibrations.

La présente invention permet de résoudre les différents problèmes techniques évoqués ci-dessus. L'invention se rapporte en effet à un élément de structure comprenant une couche conductrice souple. Cette couche est analogue à un circuit imprimé sur support flexible mais atteint préférentiellement de grandes dimensions.

Cette couche conductrice comporte au moins deux parties, dont l'une est intégrée à un panneau souple, l'autre à un panneau rigide. Le panneau rigide incorpore un moyen d'interconnexion électrique, tel qu'un connecteur. Les deux parties de la couche conductrice sont monobloc, c'est-à-dire formées d'une pièce, ce qui supprime les problèmes de connexion entre ces deux parties. Un tel élément de structure permet de s'adapter à un environnement existant, grâce à sa partie souple. Cette dernière lui confère en outre une meilleure résistance aux vibrations. La partie rigide permet de supporter le connecteur. Elle facilite également la fixation de l'élément à une autre structure, par exemple par vissage. La présente invention se rapporte donc à une pièce de structure comportant au moins une couche électriquement conductrice, ladite couche comportant un substrat flexible, électriquement isolant, supportant un ensemble de pistes constituées d'un matériau électriquement conducteur ; ladite pièce de structure comportant une première partie et une deuxième partie situées dans le prolongement l'une de l'autre, la couche conductrice étant monobloc sur lesdites deux parties ; la première partie comportant en outre au moins une couche structurale flexible ; la deuxième partie comportant en outre au moins une couche structurale rigide ; ladite couche rigide supportant un moyen de connexion électrique auquel est reliée électriquement au moins une piste supportée par la deuxième partie de la couche conductrice. Par pièce de structure, on entend notamment une pièce de structure primaire ou encore une pièce d'habillage et/ou de protection. Selon un mode de réalisation de l'invention, les conducteurs intégrés dans la pièce de structure sont multicouches. Plus particulièrement, la pièce comporte au moins deux couches électriquement conductrices, chacune desdites couches comportant un ensemble de pistes constituées d'un matériau électriquement conducteur ; une couche constituée d'un matériau électriquement isolant, préférentiellement flexible, est intercalée entre lesdits ensembles. Préférentiellement, au moins deux desdites couches électriquement conductrices sont électriquement reliées par un matériau conducteur traversant la couche de matériau électriquement isolant. Ainsi, la pièce intègre un réseau électrique en trois dimensions. Les pièces selon l'invention peuvent se présenter comme une alternance de plusieurs parties souples avec plusieurs parties rigides. Selon un mode de réalisation de l'invention, la partie souple de la pièce est intercalée entre deux parties rigides, chacune desdites parties rigides incorporant un moyen de connexion. Plus précisément, la au moins une couche électriquement conductrice comporte une troisième partie telle que la première partie est située entre les deuxième et troisième parties, la couche électriquement conductrice étant monobloc sur lesdites trois parties, ladite troisième partie comportant au moins une couche structurale rigide, ladite couche rigide supportant un moyen de connexion électrique auquel est reliée électriquement au moins une piste supportée par la couche conductrice. Inversement, un autre mode de réalisation de l'invention peut comporter une partie rigide entre deux parties souples.

Les pièces de structure selon l'invention peuvent être de longueur variable, de quelques centimètres à quelques mètres. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les pièces de structure comportent une couche électriquement conductrice supportant des pistes d'une longueur supérieure ou égale à un mètre. Ces éléments de grande dimension trouvent une application particulièrement avantageuse dans la conception d'aéronefs, comme indiqué précédemment. La présente invention se rapporte en outre à un procédé de fabrication d'une pièce de structure telle que décrite ci-dessus.

De manière préférentielle, ledit procédé comporte une étape de formation des pistes sur le substrat d'une couche électriquement conductrice, ladite formation des pistes étant effectuée par électrodéposition. Un procédé d'électrodéposition, comme par exemple décrit dans le document US2003/0164301, permet en effet d'obtenir des pistes continues de grandes dimensions, ce qui est très avantageux dans le cas de structures d'aéronefs. Cependant, d'autres techniques connues de réalisation de circuits imprimés sur supports flexibles peuvent également être employés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - Figure 1 : représentation schématique, en vue de dessus, d'une partie d'une pièce de structure selon un mode de réalisation de l'invention ; - Figure 2 : représentation schématique, en coupe, d'une pièce de structure selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - Figure 3 : représentation schématique, en coupe, d'une partie d'une pièce de structure selon un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre une représentation schématique, en vue de dessus, 30 d'une couche conductrice entrant dans la fabrication d'une pièce de structure selon un mode de réalisation de l'invention. La couche 10 électriquement conductrice comporte un substrat 11 électriquement isolant. Dans l'exemple représenté à la figure 1, le substrat se présente sous forme d'une bande dont une longueur 12 peut aller jusqu'à 35 plusieurs mètres.

Le substrat 11 est constitué d'un film de matériau flexible. Ce matériau est par exemple un polymère, notamment du polyéthylène téréphtalate, commercialisé sous le nom de Mylar®. Cependant, d'autres substrats connus peuvent être utilisés, par exemple de type papier.

Le substrat 11 supporte un ensemble de pistes 13 constituées d'un matériau électriquement conducteur. Ces pistes sont par exemple réalisées en cuivre. Dans l'exemple représenté à la figure 1, les pistes 13 sont sensiblement rectilignes et parallèles. Cependant, leur géométrie peut être différente. Les pistes peuvent notamment parcourir une trajectoire complexe, comme il est connu pour les circuits imprimés. Dans l'exemple représenté à la figure 1, les pistes 13 sont préférentiellement réalisées par électrodéposition sur le substrat 11, par un procédé décrit dans le document US2003/0164301. Ce procédé est continu, ce qui permet de réaliser des couches 10 de grande longueur 12. Par ailleurs, un tel procédé permet de contrôler précisément les dimensions de chaque piste 13, notamment l'épaisseur. Une piste 13.1 et une piste 13.2 voisine peuvent notamment avoir une épaisseur différente. Une telle caractéristique est difficile à obtenir par d'autres techniques connues, comme le phototraçage de circuits imprimés à partir d'un feuillard de cuivre. A titre indicatif, une piste 13 peut avoir une épaisseur de l'ordre de 30 µm D'autres dimensions des pistes, telles que la largeur 14 et la distance 15 entre les pistes, sont également contrôlées. Dans l'exemple représenté à la figure 1, la couche 10 comporte huit pistes sensiblement parallèles, de même largeur 14 et séparées par une même distance 15. A titre d'exemple, la largeur 14 des pistes peut être de 2 mm environ et la distance 15 peut être de 1 mm environ. Dans un souci de clarté, l'échelle de la figure 1 n'est pas respectée entre la longueur 12 et la largeur 14 des pistes 13. Les pistes comportent des zones 16 qui sont destinées à l'installation de moyens de connexion. Préférentiellement, dans la zone 16, la largeur des pistes diminue progressivement, pour atteindre par exemple 1 mm. La zone 16 comporte en outre une partie 17, dans laquelle les pistes 13 sont interrompues sur une faible longueur. De part et d'autre de cette partie 17, les pistes peuvent par exemple être raccordées à un connecteur électrique. La figure 2 montre une représentation schématique, en coupe, d'une pièce 20 de structure selon un mode de réalisation de l'invention. La pièce 20 a par exemple la forme d'une bande, représentée à la figure 2 selon un plan de coupe longitudinale. La pièce 20 comporte notamment une couche conductrice 21 analogue à la couche 10 représentée à la figure 1. La couche 21 comporte notamment une feuille de substrat 11 flexible et électriquement isolant, qui supporte des pistes 13 conductrices, par exemple en cuivre. La pièce 20 comporte trois parties (22, 23, 24). Plus précisément, selon une longueur de la pièce 20, une première partie 23 est intercalée entre une deuxième partie 22 et une troisième partie 24. La couche 21 est monobloc, c'est-à-dire formée d'une pièce, le long des trois parties (22, 23, 24). Plus précisément, les pistes 13 sont continues sur lesdites trois parties (22, 23, 24). Sur la première partie 23, la couche 21 comporte au moins une couche structurale 25 flexible. Préférentiellement, sur la partie 23, la couche 21 est intercalée entre deux couches structurales (25, 29) flexibles.

Les deux couches structurales (25, 29) peuvent être formées de matériaux identiques ou différents. Elles sont par exemple formées d'un matériau composite avec une matrice de type résine polyuréthane. Dans le cas où la couche 25, en contact avec les pistes 13, serait formée d'un matériau non électriquement isolant, une couche isolante doit être intercalée entre lesdites pistes 13 et ladite couche 25. En raison des propriétés des couches (25, 29), la première partie 23 de la pièce 20 est relativement souple. Elle peut notamment adopter des formes courbes et se conformer à la géométrie d'un environnement non plan. Sur la deuxième partie 22 et la troisième partie 24, la couche 21 comporte au moins une couche structurale 26. Préférentiellement, la couche 21 est intercalée entre deux couches structurales (26, 27). Les deux couches structurales (26, 27) peuvent être formées de matériaux identiques ou différents. Au moins l'une de ces couches (26, 27) est formée d'un matériau rigide. Ce matériau est par exemple un matériau composite avec une matrice de type résine époxy, ou encore une couche métallique, ou une couche de carbone. Dans le cas où la couche 26, en contact avec les pistes 13, serait formée d'un matériau non électriquement isolant, une couche isolante doit être intercalée entre lesdites pistes 13 et ladite couche 26.

Préférentiellement, les deux couches (26, 27) sont formées d'un matériau rigide. Ainsi, les deuxième et troisième parties (22, 24) présentent une rigidité et une résistance mécanique qui leur permettent notamment d'être intégrées à la structure d'un aéronef.

Selon une variante de l'invention, la pièce 20 peut comporter des couches supplémentaires intercalées entre la couche 21 conductrice et les couches structurales (25, 26, 27, 29). La pièce 20 peut par exemple inclure un plan de masse constituée d'une couche pleine en matériau conducteur, ladite couche pleine étant par exemple un feuillard de cuivre. Les deuxième et troisième parties (22, 24) rigides peuvent également comporter des couches en fibres de verre. Dans l'exemple représenté à la figure 2, chacune des deuxième et troisième parties (22, 24) comporte un moyen 28 de connexion électrique, ledit moyen 28 étant électriquement raccordé aux pistes 13. Le raccordement se fait au niveau d'une zone de la couche 21, similaire à la zone 16 représentée à la figure 1. Le moyen 28 est par exemple un connecteur de circuit imprimé de type CMS (Composant Monté en Surface). Le connecteur est par exemple brasé sur les pistes 13 avant la formation des couches (26, 27) de structure.

Le moyen 28 est incorporé dans la couche 26 en contact avec les pistes 13. Préférentiellement, la couche 26 est constituée d'un matériau comportant une matrice rigide, afin de garantir la solidité mécanique de l'ensemble. La figure 3 montre une représentation schématique, en coupe, d'une vue de détail d'une pièce 30 de structure selon un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 3 ne montre qu'une deuxième partie 32 rigide de la pièce 30. Ladite pièce 30 possède également une première partie flexible similaire à la partie 23 représentée à la figure 2. Ladite partie flexible est située dans le prolongement de la partie 32 rigide. La pièce 30, notamment sa partie 32 rigide, comporte une superposition de plusieurs couches (31.1, 31.2, 31.3) électriquement conductrices.

Chacune desdites couches comporte un ensemble (43.1, 43.2, 43.3) de pistes, par exemple en cuivre. Entre lesdits ensembles de pistes sont intercalées des couches (41.1, 41.2, 41.3) flexibles, constituées d'un matériau électriquement isolant. Préférentiellement, ce matériau est une résine polymère. Les différentes couches (41.1, 41.2, 41.3) de matériau isolant peuvent être constituées de matériaux identiques ou différents La superposition de couches (31.1, 31.2, 31.3) peut par exemple être réalisée au moyen d'étapes d'empilement de couches (41.1, 41.2, 41.3) isolantes, alternées avec des étapes d'électrodéposition des pistes (43.1, 43.2, 43.3) selon un procédé tel qu'évoqué précédemment. De manière préférentielle, au moins deux couches (31.1, 31.2, 31.3) électriquement conductrices sont électriquement reliées, afin de former dans la pièce 30 un réseau électrique en trois dimensions. Par exemple, un pont 35 électrique est formé entre deux couches (43.1, 43.2) de pistes par un matériau conducteur traversant une couche 41.1 d'isolant. Dans l'exemple représenté à la figure 3, le pont 35 est par exemple formé de cuivre. Préférentiellement, l'ensemble formé par la superposition des couches (31.1, 31.2, 31.3) est monobloc ; la deuxième partie 32 rigide de la pièce 30 comporte en outre au moins une couche 46 de structure. Préférentiellement, la partie 32 comporte deux couches (46, 47) de structure, entre lesquelles sont intercalées les couches (31.1, 31.2, 31.3) conductrices. Au moins l'une desdites couches (46, 47) est formée d'un matériau rigide. De même, la première partie flexible (non représentée) de la pièce 30 comporte au moins une couche de structure flexible.

Les matériaux rigides et les matériaux flexibles décrits dans la description de la figure 2 peuvent être utilisés pour réaliser les couches de structure de la pièce 30. Préférentiellement, la deuxième partie 32 rigide de la pièce 30 comporte un moyen de connexion électrique tel qu'un connecteur, électriquement relié à l'une des couches (41.1, 41.2, 41.3) de pistes. Les pièces de structure selon l'invention, telles que les pièces (20, 30) décrites ci-dessus, peuvent être intégrées dans la structure d'un aéronef, au niveau de la structure primaire ou comme élément d'habillage et/ou de protection.

L'intégration dans ces pièces de structure d'une partie du système électrique de l'aéronef permet un gain significatif en masse et en encombrement, par rapport aux réseaux de câbles connus de l'art antérieur. Le temps d'installation du réseau électrique de l'aéronef est également considérablement diminué, particulièrement en ce qui concerne les connexions électriques. Les pièces selon l'invention permettent également de minimiser les pertes d'efficacité liées aux perturbations électromagnétiques dans les zones d'interconnexion électriques.

La ou les parties flexibles des pièces de structure selon l'invention leur permettent de se conformer à la disposition spatiale d'un environnement non plan, tel qu'une structure travaillante existante de l'aéronef. La ou les parties rigides permettent notamment de fixer solidement les pièces selon l'invention à une autre structure, par des moyens de fixation classiques tels que des vis. Alternativement, la ou les parties rigides peuvent jouer un rôle de structure primaire de l'aéronef. Par ailleurs, la ou les parties flexibles des pièces permettent une meilleure absorption des contraintes mécaniques, notamment les vibrations, que subit l'aéronef. Les pièces selon l'invention subissent donc moins de ruptures, au niveau des interconnexions électriques, que d'autres réalisations connues de l'art antérieur. L'invention est particulièrement avantageuse pour une application dans le domaine de l'aéronautique, mais trouve également un intérêt dans de nombreux domaines voisins, tels que les transports terrestres ou le domaine spatial.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1.- Pièce (20, 30) de structure comportant au moins une couche (21) électriquement conductrice, ladite couche comportant un substrat (11) flexible, électriquement isolant, supportant un ensemble de pistes (13) constituées d'un matériau électriquement conducteur ; ladite pièce de structure comportant une première partie (23) et une deuxième partie (22) situées dans le prolongement l'une de l'autre, la couche conductrice étant monobloc sur lesdites deux parties ; la première partie (23) comportant en outre au moins une couche (25) structurale flexible ; la deuxième partie (22) comportant en outre au moins une couche (26, 27) structurale rigide ; ladite couche rigide supportant un moyen (28) de connexion électrique auquel est reliée électriquement au moins une piste supportée par la deuxième partie (22) de la couche conductrice.

   2.- Pièce (20, 30) de structure selon la revendication 1, telle que la première partie (23) et/ou la deuxième partie (22, 32) comporte en outre une deuxième couche (29) structurale, la couche conductrice (21) étant intercalée entre lesdites deux couches structurales.

   3.- Pièce (30) de structure selon la revendication 1 ou la revendication 2, comportant au moins deux couches (31.1, 31.2, 31.3) électriquement conductrices, chacune desdites couches comportant un ensemble (43.1, 43.2, 43.3) de pistes constituées d'un matériau électriquement conducteur, une couche (41.1, 41.2) constituée d'un matériau électriquement isolant étant intercalée entre lesdits ensembles.

   4.- Pièce de structure selon la revendication 3, telle que les deux couches (31.1, 31.2) électriquement conductrices sont électriquement reliées par un matériau (35) conducteur traversant une couche (41.1) de matériau électriquement isolant.

   5.- Pièce (20) de structure selon l'une des revendications précédentes, comportant une troisième partie (24) telle que la première partie est située entre les deuxième et troisième parties, la couche (21) électriquement conductrice étant monobloc sur lesdites trois parties, ladite troisième partie comportant au moins une couche (26, 27) structurale rigide, ladite couche rigide supportant un moyen (28) de connexion électrique auquel est reliée électriquement au moins une piste supportée par la couche conductrice.