Carbone Nanotube

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Carbon Nanotube Yarn Rotates Electric Motors at LUT

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Engrenage

Engrenage

Un engrenage est un mécanisme élémentaire composé de deux roues dentées mobiles autour de deux roues dentées mobiles autour d’axes de position relative invariable. L’une des roues entraîne l’autre par l’action des dents successivement en contact. La roue qui a le plus petit nombre de dents  est appelée pignon. Suivant la position relative des axes des roues, on distingue :

·         Les engrenages parallèles (axes parallèles) ;

·         Les engrenages concourants (axes concourants) ;

·         Les engrenages gauches (les axes ne sont pas dans un même plan).

Nomenclature

Figure 1 : Nomenclature of spur-gear teeth

R. Budynas, K. Nisbett, Shigley’s Mechanical Engineering Design, McGraw-Hill Education, 2010.
https://books.google.fr/books?id=eT1DPgAACAAJ.

D.B. Marghitu, J.D. Irwin, Mechanical Engineer’s Handbook, Elsevier Science, 2001. 
https://books.google.fr/books?id=QpMz-0HSitEC.

La terminologie de la roue et engrenage cylindrique denture droite est illustré Figure 2.

Caractéristiques d’une roue à denture droite normale (α = 20°)

Figure 2 : Caractéristique dimensionnelle

Figure 3 : caractéristique mécanique

R.Budynas, K. Nisbett, Shigley’s Mechanical Engineering Design, McGraw-HillEducation, 2010. 
https://books.google.fr/books?id=eT1DPgAACAAJ.

Le module est le rapport du diamètre primitif (pitch diameter) et le nombre de dent.

Figure 4 : Modules normalisés

A. Chevalier, Guide du dessinateur industriel: pour ma{\^\i}triserla communication technique, Hachette, 2003.
https://books.google.fr/books?id=HRKEMwEACAAJ.

Exemple de conception d’un engrenage cylindrique denture droite

Diamètre primitif : dp (mm)  = m*Z	120	Angle de pression α	20°
Diamètre de pieds : df (mm) = dp-2.5*m	105	θ1 = tan (α)-α	0,0149044
Diamètre de base : db (mm) = dp cos (α)	112,763	Z ou N	20
Diamètre de tête : da = dp+2*m	132	m (module)	6
Epaisseur : S = πm/2	9,424777

	r en mm	ɸ (°) =acos(rb/r)	θ (°) = tan(ɸ)-ɸ-θ1	x = - r sin θ	y = r cos θ
rf = df/2	52,5
rb = rb/2	56,382	0	-0,853958292	0,840301261	56,37529504
	58,794	16,44424914	-0,387049457	0,397114439	58,78482662
rp = dp/2	60	20	0	0	60
	62	25,38015042	0,947606625	-1,032053795	62,396076
	64	29,54578071	2,077115758	-2,348982275	64,76663846
ra = da/2	66	31,32125793	2,690286801	-3,097849321	66

On symétrise le profile à ((360/20)/4)=4,5°

H.H. Lee, Finite Element Simulationswith ANSYS Workbench 12, Schroff Development Corporation, 2010.
https://books.google.fr/books?id=nbKDRAAACAAJ.

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Matériaux Piézoélectriques

MATÉRIAUX PIÉZOÉLECTRIQUES

Les micros actionneurs sont l’un des plus importants composant dans les systèmes micro électromécaniques. Les plus simples et les plus rincent éléments actionnant sont  des micros leviers. Dans les dernières années 80 les micros actionneurs ont reçu une augmentation d’attention quand la commande électro statiquement de micro moteur commence à apparaître. Aux cours des 15 dernières années, plusieurs type de micro actionneur utilise des commandes de forces variées  (exemple : l’électrostatique, l’électromagnétique, le piézoélectrique, l’alliage à mémoire de forme (SMA) etc.) qui ont été développé. L’actionneur piézoélectrique est l’un des principes d’actionneur le plus populaire utilisé pour le micro actionneurs.

L’actionneur piézoélectrique génère une importante force mais seulement pour un petit déplacement en appliquant une tension à un matériau piézoélectrique.  Généralement utilisé pour des conceptions sont les éléments bimorphes et des structures multi couches. En outre, de plus en plus de poutre composite monomorphes sont employée pour répondre à l’exigence des applications spéciales.

L’actionneur piézoélectrique est employé  dans plusieurs applications comme l'Hydrophones (hydrophones),

l'Imprimante à jet d’encre  (Inkjet printers)

le Ventilateur électrique (electric fan)

le Contrôle acoustique (acoustic control)

Microphones

Capteur tactile (Tactile sensor)

Micro moteurs (micromotors), etc.

Les principaux avantages des actionneurs sont leurs grandes précisions, leurs vitesses et leurs puissances mécaniques. Dans ces applications, des matériaux céramiques piézoélectriques comme l’oxyde de zinc et le PZT (Lead Zirconate Titanate) sont les plus fréquemment utilisés, comme ils présentent un important coefficient piézoélectrique. Cependant, la difficulté majeure associée à leur utilisation dans beaucoup d’application est l’exigence de technologie avancée de dépôt et d’installation de préparation de couche mince stœchiométrique. De plus, ils sont habituellement très fragiles et ont un relatif important module d’Young., limitant la déformation réalisable. Des polymères composites actifs composés de céramique piézoélectrique et epoxies sont fabriqués pour compenser ces désavantages. Des polymères piézoélectriques comme le PVDF (polyfluorore de vinylidène) et ces copolymères peuvent surmonter quelque un de ces difficultés bien qu’ils ont un relativement faible coefficient piézoélectrique. Faible nombre de valeur de module d’Young de ces polymères ont un potentiel pour autoriser d’importante déformation d’actionneurs piézoélectriques.

Les caractéristiques spéciales des polymères piézoélectriques ont attiré l’attention de plusieurs chercheurs de différentes disciplines. Beaucoup d’appareils ont été conçu de ces matériaux depuis 1980. Une longue liste de document et de patente peuvent être trouvée sur des manuels techniques de capteur à couche piézo de spécialiste de mesure. Dans certains de ces appareils, des PVDF ont été  utilisé plus souvent dans leur forme de couche mince, l’un ou l’autre étiré ou fixé. La capacité de calquer du PVDF dans des formes et des tailles exigées  est hautement désirable dans le but d’augmenter les domaines d’applications, particulièrement dans les échelles millimétrique et micrométrique. Quelque méthode différente sont employée pour modéliser le PVDF, incluant l’utilisation d’un laser excimère, une source lumineuse UV, des rayons X, du gaufrage à chaud. Chaque méthodes possède ces forces et ces problèmes.

M.Schwartz, Smart Materials, CRC Press, 2008. 

FERROELECTRIQUE/PIEZOELECTRIQUE

Les ferroélectriques sont des matériaux présentant une polarisation diélectrique spontané et un effet hystérésis dans la relation entre les déplacements diélectrique et les champs électriques. Ces comportements ferroélectriques  sont observés seulement en dessous de la température de transition Tc appelé aussi température de Curie. Au-dessus la température de Curie, les matériaux ne sont pas longtemps ferroélectriques et montrent un comportement diélectrique.

Les phénomènes ferroélectriques ont été pour la première fois observé en 1920 par Valasek dans le sel de roche (KNaC4H4O6.4H2O). Dans ca description, Valasek soulève l’attention sur l’analogie avec le phénomène ferromagnétique. Ferro est un préfixe associé avec des matériaux contenant du faire. Mais la nature de l’hystérésis dans la relation entre les déplacements diélectriques et les champs électriques est remarquablement similaire à la relation du champ d’induction magnétique pour des matériaux ferromagnétiques. Les matériaux ferromagnétiques contiennent généralement du fer. Les ferroélectriques sont nommés après la boucle d’hystérésis similaire et rarement contenant du fer comme un constituant signifiant.

E.A.Avallone, T. Baumeister, A.M. Sadegh, Marks’ Standard Handbook for MechanicalEngineers, McGraw-Hill Education, 2006. 

Phonograph cartridges.

microelectromechanical systems

Air transducers/Ultrasonic transducers.

Actuators.

La piézoélectricité est  rencontrée dans certain classe de matériau cristallin. La déformation des matériaux résulte du changement de polarisation (l’effet piézoélectrique directe) : les positions des charges positives et négatives dans le cristallin sont déplacées relativement les uns les autres, causant une polarisation nette ou un changement dans la polarisation intrinsèque. La Figure 1 montre une représentation 2D simplifiée de cet effet.

Figure 1 : Piezoelectricity; larger circles represent positive charges, the smaller negative charges.

P.P.L.Regtien, Sensors for Mechatronics, Elsevier Science, 2012. 

Dans la Figure 1A structure est pleinement symétrique : le centre de gravité de toutes les charges positives est déplacé vers le bas, résultant une polarisation non zéro. Dans le cas d’une compression verticale, (Figure 1C), le centre des charges positives est orienté vers le haut, résultant une polarisation non-zéro dans l’autre direction. Cette orientation des charges positive relatives  aux charges négatives produit des charges opposées sur les surfaces opposées du cristallin. Evidemment la Figure 1 est une forte représentation simplifiée du phénomène piézoélectrique. La structure cristalline, additionnée de dopants et d’autre traitement du matériau détermine substantiellement les propriétés piézoélectrique.

Les matériaux piézoélectriques sont des diélectriques dont les propriétés électriques dépendent des contraintes mécaniques appliquées et des déformations dont le comportement contrainte déformation dépend du champ électrique appliqué ou de la tension.  Ces matériaux sont largement utilisés dans ce qu’on appelle « les matériaux innovants / Smart structures » pour des capteurs et des actionneurs. Quelques configurations sont montrées sur la .

Figure 2 : (a) Vector components of stress T1, elastic strain S1, and electric field E3 in a piezoelectric actuator-sensor. (b) Piezoelectric stack actuator. (c) Piezoelectric bender actuator. 

Ces matériaux se comportent anisotropiquement dans leurs propriétés tension contrainte déformation. L’un des matériaux les plus populaires sont les céramiques PZT (Titano-Zirconate de Plomb) (ou LZT pour les anglophones, pour "Lead Zirconate Titanate").

P.P.L.Regtien, Sensors for Mechatronics, Elsevier Science, 2012. 

Les matériaux piézoélectriques peuvent être subdivisés en trois catégories.

1. Les monocristallins comme le Quartz

2. les céramiques piézoélectriques comme le titanate de baryum (BaTiO3) ou du PZT

3. des polymères comme le PVDF (polyfluorore de vinylidène)

F.C. Moon, Applied Dynamics: With Applications to Multibody and Mechatronic Systems, Wiley, 2008. 

Constitutive Equations and Material Properties of Piezoelectric Systems 

M.Kaltenbacher, Numerical Simulation of Mechatronic Sensors and Actuators,Springer Berlin Heidelberg, 2013. 

Piezoelectric beam actuator Hamilton’s principle

 A. Preumont, Mechatronics: Dynamics ofElectromechanical and Piezoelectric Systems, Springer Netherlands, 2006. 

 A.R. Jha, MEMS and Nanotechnology-Based Sensors and Devices for Communications, Medical and Aerospace Applications, Taylor & Francis, 2008. 

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Alliage à mémoire de forme (AMF) / Shape Memory Alloys (SMAs)

Alliage à mémoire de forme

                                                    

                                             CE MATÉRIAU EST INTELLIGENT ! (nitinol)

Les alliages à mémoire de forme (AMF ou Shape Memory Alloys SMAs) sont des métaux qui, après être déformés, à une certaine température reviennent à leur forme originale. Un changement dans leur structure cristalline au-dessus de leur température de transformation cause leur retour à leur forme initiale. Ils présentent deux propriétés très unique :

La pseudo-élasticité et l'effet mémoire de forme.

L’effet mémoire de forme a été premièrement découvert par le physicien suédois Arne Olander en 1932, qui a utilisé un alliage d’or (Au) et du cadmium (Cd), mais pas avant les années 60, que les recherches avancées sérieuses sont faites dans la direction des alliages à mémoire de forme. Dans les débuts des années 60, des chercheurs de U.S. Naval Ordnance Laboratory ont découvert l’effet mémoire de forme dans l’alliage titane (Ti) nickel (Ni) et ils l’ont nommé Nitinol (un acronyme pour Nickel Titanium naval Ordnance Laboratory). Encore, pas avant les débuts des années 70 que quelques produits commercial actifs apparaissent qui mettaient en œuvre des alliages à mémoire de forme. Les plus efficients et largement utilisés des alliages à mémoires de forme inclurent (nickel-titane), CuZnAl, et CuAlNi. Des alliages à mémoire de forme (AMF) présentent aussi un comportement pseudo-élastique, lequel est le nom générique pour le comportement du caoutchouc et de la super élasticité. L’effet mémoire et la pseudo-élasticité, tous les deux sont principalement provoqués par transformation de phase à l'état solide du matériau. Il y a deux phases stables dans les alliages à mémoire de forme.

- Martensite à basse température et austénite à haute température.

La Martensite (selon le scientifique Allemand Martens) était originalement utilisée pour concevoir des micros constituants durs formés dans les tiges trempées d’aciers. Maintenant c’est utilisé dans un large contexte applicable à des produits de transformation martensitique. Certaines transformations ont lieu dans des solides cristallins par des déplacements coordonnés d’atomes où molécules à travers des distances plus petites que des distances interatomiques dans les phases parentales. Pour cette raison les transformations sont décrites comme être  sans diffusion.

L’Austénite était le nom originalement donné la structure Crystal cubique face centrée du fer. Il est aujourd’hui utilisé dans un large contexte pour d’autres métaux, des alliages avec des structures cubiques.

En général, un AMF commence la transformation martensitique à une température Ms pendant le refroidissement. La transformation est complète quand la température basse Mf est atteinte, où le matériau est dit être dans l’état martensitique. Au-dessus d'une certaine température As, le matériau commence la transformation de retour à l’austénite et la transformation est complète à haute température, Af.

Figure 1 : Schematic sketch of NiTi microstructure. (a) Austenite; (b) martensite (twined).

Une illustration schématique des deux phases de nitinol, lequel est un typique AMF qui contient un proche mixte de nickel (55 wt.%) et titane, comme montré sur la Figure 1. Si aucune force n’est appliquée pendant le chauffage ou le refroidissement, la microstructure de l’alliage changera sans changement remarquable forme macroscopique. Dans la condition martensite, un alliage peut être facilement déformé dans une nouvelle forme par des mécaniques atomiques non conventionnelles. L’alliage restera dans une nouvelle forme autant que la température est gardée constante. Le chauffage causera la transformation retour de la phase austénite du matériau et restaurera ces formes originales. L’effet de restauration est appelé l’effet mémoire de forme Figure 2.

Figure 2 : Schematic microstructure diagram of the shape memory effect.

Dans des cas, l’effet mémoire est un chemin, qui signifie que, au-dessus du refroidissement, un AMF ne subir pas un changement de forme, même si la structure revient à la martensite. Quand la martensite est déformée à quelque pour cent, cependant, cette déformation est conservée avant que le matériau est encore chauffer, à quel temps la restauration de forme se produit. Au-dessus du refroidissement, le matériau ne change pas spontanément de forme, mais doit être délibérément déformé si la restauration de forme est désirée. C’est possible dans certain AMF de provoquer deux chemin de mémoire de forme. C’est-à-dire, le changement de forme se produit au-dessus des deux, chauffage et refroidissement. La quantité de changement de forme est toujours moins signifiante que celui obtenu avec un chemin d’effet de mémoire de forme, et une très petite contrainte peut être exercée par l’alliage comme s’il essaie d’encaisser ca forme à température basse. Le changement de forme au chauffage peut encore exercer très grande force, comme avec la mémoire dans un chemin.

L’AMF présente aussi  un comportement pseudo-élastique. Contrairement à l’effet mémoire de forme, la pseudo-élasticité se produit sans un changement de température. Dans les conditions austénite, un AMF subi une transformation de phase de l’austénite à la déformé martensite (ou contrainte induit martensite) quand une contrainte est appliqué. Une fois la contrainte est réalisé, le matériau retourne à l’état austénite, ce qui signifie ca forme est restauré. Ceci est appelé super élasticité. Une courbe contrainte déformation est montré dans la Figure 3.

Figure 3 : Schematic stress-strain curve of a NiTi alloy loaded above Ms temperature and then unloaded. Stress-induced martensite (SIM) is formed during loading, which disappears upon unloading.

Figure 4 : Load diagram of the superelastic effect above Af temperature.

Tandis la courbe chargement température de la figure montre la procédure de transformation pendant un cycle  chargement et déchargement.

Ce comportement caoutchouteux a été observé en 1932 par Olander, qui étudiait un alliage Au-Cd. Ce phénomène a été trouvé dans quelque système AMF comme Cu-Al-Ni, Cu-Au-Zn, et Cu-Zn. Considérant l’alliage Au-Cd, il est intéressant de remarqué que le comportement caoutchouteux est trouvé seulement après que la martensite est affinée à température ambiante à la fin de quelque heure. Récemment des éprouvettes transformées présentaient l’effet mémoire de forme et des barres pliées ne retourneront pas en ressort à leur forme originale sans affinage. Le comportement caoutchouteux  constitue aussi un type mécanique de mémoire de forme comme le fait le procédé de superplasticité, et en effet, ces deux phénomènes ne peuvent être distingués sur les courbes basiques de contrainte déformation seulement. Mais le comportement caoutchouteux est caractéristique d’une structure martensitique, tandis que le comportement super élastique est associé avec la formation de martensite de la phase parentale sous la contrainte. Ces deux types de comportement collectivement tombent dans la catégorie pseudo élasticité.  L’AMF commercial la plus valide est l’alliage NiTi et l’alliage à base de cuivre. Des propriétés des deux systèmes sont un peu différentes. L’alliage NiTi a une meilleure déformation de mémoire de forme (supérieur à 10% contre 4 à 5% pour l’alliage à base de cuivre), tendant à  être plus stable thermiquement, et a une excellente résistance à la corrosion, et a une grande ductilité. D’autre part, l’alliage à base de cuivre est moins chère, peut être mélangé et extrudé dans l’air avec facilité, et a un large domaine de température de transformation potentiel. Les deux systèmes d’alliages  qui ont des avantages et des désavantages qui doit être considérer dans des applications particulières.

E.A. Avallone, T. Baumeister, A.M. Sadegh, Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, McGraw-Hill Education, 2006. 

T. Brezina, R. Jablonski, Recent Advances in Mechatronics: 2008 - 2009, Springer Berlin Heidelberg, 2009. 

M. Schwartz, Smart Materials, CRC Press, 2008.

Application 

Nitinol Glasses

Kinitics Automation direct-drive linear actuators (based on shape-memory alloys) at IMTS

SMA Thermostat Technology

Superior Mesenteric Artery (SMA) Angiogram

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