Les structures mécaniques adaptatives sont au c¶ur des recherches d'une équipe du laboratoire M3M — laboratoire mécatronique 3 M – méthodes, modèles, métiers en mécanique — de l'UTBM. Elles sont utilisées depuis un certain nombre d'années déjà dans le secteur spatial, aéronautique ou scientifique et servent par exemple à réaliser des ajustements permanents de position (miroir de télescope, positionnement d'antenne). Elles sont constituées de quatre types d'éléments : la structure proprement dite (l'avion, le miroir du télescope…), des actionneurs (moteur, vérin…) qui permettront d'appliquer des sollicitations, des capteurs recueillant l'état de la structure, et un calculateur (ordinateur, microcontrôleur…) qui, sur la base de l'information des capteurs, agit sur les actionneurs. La difficulté de généralisation de ces systèmes tient au fait que les programmes de calculs doivent intégrer de nombreux paramètres de la structure et du système de commande (capteur, actionneur, génération du signal de commande), mais aussi à la difficulté d'intégrer tous ces éléments dans des produits grande série (automobile…).
• Depuis plusieurs années, l'équipe SMA — systèmes mécaniques adaptatifs — a donc entrepris d'étudier la problématique d'industrialisation, et notamment l'influence des processus de fabrication, lorsque l'on désire intégrer les actionneurs et capteurs au sein même de la structure. Pour ceci, le choix s'est porté sur des matériaux composites grande diffusion Ÿ* et sur des techniques applicables ou utilisées dans le secteur des transports. Dans un premier temps, l'équipe s'est orientée vers la technique RTM qui permet d'intégrer des actionneurs piézoélectriques dans des conditions satisfaisantes. Bien que cette technique soit actuellement employée dans la réalisation d'éléments de carrosserie d'automobile ou de camion, elle présente un inconvénient important : elle ne s'applique qu'à des résines thermodurcissables et, de ce fait, difficilement recyclables. Un autre type de composite, à matrice thermoplastique, le contourne. En plein essor industriel, les techniques de mise en forme ne sont cependant pas encore parfaitement normalisées et diffusées. De surcroît, elles introduisent des difficultés supplémentaires en raison de l'obligation de chauffer plusieurs fois le produit et d'appliquer des efforts relativement importants sur les structures lors de la mise en forme. Or, ceci n'est pas directement compatible avec l'intégration d'éléments fragiles. De nouveaux outils spécifiques étaient donc nécessaires.
• Un appel d'offre CIADT / FEDER est venu à point nommé pour formaliser un projet comprenant l'acquisition de moyens et le transfert de technologies vers les PME locales. Il se devait d'être articulé autour de moyens de production capables de réaliser des préséries d'objets en composites à matrice thermoplastique en utilisant les technologies en cours de développement. Il fallait ensuite pouvoir maîtriser ces processus et analyser les objets produits, et donc disposer d'équipements de caractérisation et de simulation.
• Ainsi, une presse de thermocompression, capable de mettre en forme des objets de 500 mm de côté dans des matériaux tels que le verre polypropylène ou le carbone PEEK, a été acquise. Elle est équipée de plateaux asservis en température capables de travailler jusqu'à 400°C sous une force parfaitement contrôlable jusqu'à 500 kN. Un four infrarouge d'une puissance de 16 kW est jumelé pour obtenir un préchauffage rapide de la matière avant la mise en forme par compression. Cet équipement de conception industrielle reste très souple d'utilisation, pour développer des techniques variées. Une autre presse est dédiée à l'injection de thermoplastique avec les mêmes capacités. Celle-ci est également équipée d'un outil à plateau régulable en température jusqu'à 200°C.
• En terme de caractérisation, une cellule est dédiée aux matériaux polymères. Elle se compose de trois appareillages de mesure d'analyse thermique : un viscoanalyseur VA2000 de 01 dB metravib, un calorimètre différentiel DSC Q10 et un thermogravimètre TGA Q50, tous deux de TA INSTRUMENT. Cet ensemble cohérent de matériel permet, par la complémentarité des informations délivrées, d'extraire les paramètres utiles au processus de fabrication, à la conception du produit et à la qualification de la fonction. Le viscoanalyseur applique des forces dynamiques ou statiques avec une précision du mN ou des déplacements de l'ordre du œm sur une plage restant relativement large de plus ou moins 100 N et 6 mm, tout en imposant une température comprise entre – 150°C et 400°C. L'utilisation d'analyses DMA permet d'isoler de nombreuses phases de comportement des matériaux comme la plastification, la polymérisation, le changement de structure, le vieillissement… Le calorimètre différentiel, quant à lui, est utilisé dans une plage de température de – 80°C à 700°C pour observer les flux énergétiques de nombreuses transformations des matériaux comme la fusion, la cristallisation ou la polymérisation, et donc venir compléter les informations déjà obtenues par le viscoanalyseur. Grâce au thermogravimètre, de nombreux produits peuvent être décomposés, sous différentes atmosphères et dans une plage de 20°C à 1 000°C ; la mesure au microgramme près des évolutions de masse donnera une composition quantitative.
• L'originalité de cet équipement est sans conteste le fait qu'il regroupe en un même lieu des outils de transformation de matériaux polymères et les instruments de mesure indispensables à l'optimisation des procédés de transformation, sans pour autant négliger les phases de conception et de suivi. L'ensemble des moyens est aujourd'hui opérationnel, plusieurs séries d'études ont été lancées, d'autres actions sont conduites avec des étudiants dans le domaine des matériaux et des procédés, mais aussi dans le prototypage et l'outillage rapide. Polyvalence et complémentarité laissent envisager de multiples applications dans le champ des plastiques et composites.
* Par opposition aux composites hautes performances Ÿ.
Rémy Lachat
Laboratoire M3M
Université de technologie de Belfort – Montbéliard
Tél. 03 84 58 35 38
Fax 03 84 58 31 46
remy.lachat@utbm.fr
