Application des matériaux composites dans les machines et robots

Actuellement, les robots sont généralement fabriqués à partir de matériaux métalliques (acier ou aluminium) qui présentent des rigidités élevées, mais leurs masses volumiques sont importantes et leurs capacités d’amortissement sont assez faibles. Ces inconvénients limitent les performances des machines et robots en termes d’accélération, vitesse et précision. Les matériaux composites présentent l’avantage de combiner des matériaux différents pour s’adapter aux nombreuses exigences telles que : masse volumique faible, résistances et rigidités élevées, bonne capacité d’amortissement, etc. Ces matériaux sont déjà beaucoup utilisés dans plusieurs domaines comme : l’industrie automobile, l’aérospatiale, etc. Il y a en ce moment une tendance à utiliser des composites dans les machines et robots.

En 1987, Asada et al. [Asa87] ont développé un bras robotique en matériau composite à fibre de carbone. La forme du bras est un cylindrique creux. C’est la première tentative d’utilisation de matériau composite dans les robots. Lee et al. ont utilisé le composite à fibres de carbone pour concevoir un bras robotique [Lee91]. La séquence d’empilement du composite a été optimisée. D’après les résultats de l’étude, la rigidité statique, la fréquence naturelle et la masse du bras composite ont été considérablement améliorées par rapport au bras en aluminium. Cette étude est considérée comme étant la première conception en matériau composite d’un bras robotique, une conception effectuée de façon systématique.

En 1993, un robot anthropomorphique en matériau composite à fibres de carbone a été développé par Lee et al. [Lee93]. La capacité de charge transportable et la précision de ce

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robot ont été améliorées par rapport au robot en acier. Caprino et al. ont conçu des bras robotiques en composite dans le but de maximiser les fréquences propres du système robotique [Cap95].

Choi et al. ont utilisé des composites à fibres de carbone pour reconcevoir une broche de machine afin d’augmenter sa capacité d’amortissement [Cho97]. Le composite à fibre de carbone/époxy a été fabriqué à partir des pré-imprégnés. La séquence d'empilement des fibres et l’angle d’orientation ont été pris en compte pour adapter les propriétés de la broche de façon à avoir un module de flexion élevé, une fréquence propre élevée et un module de torsion modéré. D’après les résultats, la première fréquence naturelle de la broche composite augmente de 1.1 fois, le facteur d'amortissement augmente de 6.8 fois, et la masse diminue de 29.6 fois par rapport aux valeurs de la broche initiale en acier. Donc, les auteurs ont conclu qu’un système avec une broche composite avait des meilleures performances mécaniques et une meilleure productivité d’usinage, d’équilibrage et de manipulation.

Dans le but d’augmenter la vitesse et la précision d’une machine à électroérosion, son bras de guidage a été reconçu en matériau composite à fibre de carbone par C.S. Lee et al. [Lee01]. Pour la conception du bras, la rigidité du bras composite a été choisie égale à celle du bras conventionnel en fonte. Des analyses statiques et dynamiques pour comparer les performances des bras ont été exécutées par deux méthodes : numérique et expérimental. Les auteurs constatent que la masse du bras composite est 2.36 fois plus petite que celle du bras en fonte, et son comportement dynamique est sensiblement meilleur.

Figure 1.28 : Forme de la poupée mobile en acier avec renfort en composite

Chang et al. ont utilisé un composite à renfort de tissu de verre pour renforcer la poupée mobile d’une machine de précision élevée (Figure 1.28). Avec cette conception, la rigidité et l’amortissement de la structure renforcée augmentent respectivement de 12% et de 212% [Cha01].

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vitesse élevée. La capacité d'amortissement et la rigidité en fonction de l'angle d’orientation des fibres sont d’abord étudiées pour choisir l’angle d’orientation approprié. Une étude numérique et expérimentale a été réalisée. D’après cette étude, le facteur d’amortissement de la broche en traitement de surface était supérieur d'environ 3-5 fois à celui de la broche sans traitement dans l’intervalle de fréquences de fonctionnement.

Figure 1.29 : Poutre de boîte hybride pour réduire la flèche de cisaillement [Lee04] D.G. Lee et al. ont amélioré les performances d’une fraiseuse à haute vitesse [Lee04]. La glissière horizontale (X-glissière) et la glissière verticale (Y-glissière) de la machine ont été reconçues en un matériau de structure sandwich hybride (Figure 1.29). Un composite unidirectionnel carbone/époxy et un composite en tissu de verre ont été utilisés pour les peaux, et des fibres d'aramide en forme de nid d'abeille ont été utilisées pour l’âme. Dans tous les composites, les fibres de renfort sont tous disposées dans la direction longitudinale de la glissière. Les tests d’impulsion sur les glissières en acier et sur les glissières hybrides ont été réalisés dans des conditions aux limites libre-libre pour vérifier l’effet du renforcement du composite sur les caractéristiques dynamiques. Les modes de vibration et le facteur d'amortissement η de structure ont été déterminés. Les résultats montrent que les masses de la X-glissière hybride et de l’Y-glissière hybride ont été réduites respectivement de 26% et de 34% et les facteurs d’amortissement de la glissière hybride en X et de la glissière hybride en Y ont augmenté de 1.5 à 5.7 fois par rapport à ceux des structures traditionnelles.

Dans l’étude de Cho et al. [Cho11], un organe de la machine en acier inoxydable et en aluminium ont été reconçu en polymère renforcé par des fibres de carbone et d’un béton de résine pour améliorer la rigidité structurelle, augmenter la capacité d'amortissement et réduire la masse de la machine. L’organe et ses remplaçants sont présentés dans la Figure 1.30. Une analyse par la méthode des éléments finis a été réalisée pour calculer le déplacement statique, les fréquences naturelles et les modes correspondants. Ensuite, des essais dynamiques ont été réalisés pour vérifier l’analyse numérique et déterminer l’amortissement. Les résultats finaux montrent que la structure reconçue est plus légère de 36,8% et que sa rigidité structurelle

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augmente de 16%. De plus, les facteurs d’amortissement de cette structure augmentent entre 2,82% et 3,64%.

Figure 1.30 : Conception d’une table d’usinage [Cho11]

Dans le domaine de l’automobile, les composites à fibres végétales sont de plus en plus utilisés pour réduire la masse de la voiture et s’adapter aux critères d’environnement, d’émission de CO2 qui deviennent de plus en plus critiques dans la vie moderne. En 1996, Mercedes-Benz a utilisé un composite jute/époxy pour les vantaux de la voiture classe E. L’Audi a fabriqué la garniture de porte de la voiture A2 avec un composite de matrice polyuréthane renforcée par les fibres de lin mélangées avec les fibres de sisal en 2000. Récemment, Ford a choisi un composite de renfort de paille de blé pour le bac de stockage et le couvercle intérieur de la voiture 2010 Flex crossover [Kor12].