Exemple d’application à la manipulation de micro-objets

Dans le but de simuler des tâches complètes de micromanipulation non destructives sur des objets de petites tailles, des simulations numériques à l‟aide du modèle EF développé ont été lancés. Ces simulations nous ont permis de décrire le comportement de ces micromanipulateurs, utilisant des poutres piézoélectriques et de mesurer les efforts exercés sur ces micro-objets à manipuler.

La Figure VI.28 présente deux exemples à modéliser sous Ansys^® pour effectuer des tâches de prise-dépose. La micro-pince adaptable est actionnée grâce à l‟effet inverse de la piézoélectricité. L'ouverture et la fermeture du microsystème est effectué en faisant passer un courant électrique dans la micro-pince. Dans ce type de manipulateurs, il est même possible d'actionner un doigt individuellement, ce qui permet de résoudre un certains cas des problèmes de préhension (position du micro-objet par rapport aux doigts de la pince...etc.).

Figure VI.28 : Maillage 3D de la micro-pince piézoélectrique à serrage parallèle équipée de deux organes terminaux pour manipuler des micro-objets de forme cube de 400 µm de cote ou de forme

cylindre de 400µm de diamètre et de 500 µm de hauteur

Grace à l‟utilisation des matériaux piézoélectriques dans ces micromanipulateurs, des actions élémentaires telles que la prise, le transport et la libération sans détérioration des micro-objets est maintenant facilement réalisable. L‟utilisation des organes de serrage qui interagit directement avec ces micro-objets à manipuler rend la tache plus facile, comme cela est visible sur les premiers résultats de simulation par EF relatés dans la Figure VI.29.

Figure VI.29 : Visualisation de l’étape de fermeture et serrage à faible pression d’un micro-objet de forme cubique de 400µm de cote sous Ansys^®

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Les déformées en mode de flexion et le potentiel électrique résultant sont présentés dans la Figure VI.30 pour le modèle 3D d‟une micro-pince piézoélectrique soumise à différentes valeurs de tensions électriques comprise entre ±0.1 à ±100 volts imposé à l‟extrémité libre des doigts et des potentiels nuls au

niveau du talon de la micro-pince PZT. Ce micromanipulateur est capable d'effectuer de micro-déplacements avec une très haute précision de l‟ordre de 10nm. La Figure VI.30 relate un

micromanipulateur mobile équipé de deux doigts PZT pour tenir un micro-objet de forme cubique dont la

flexion engendre des pressions de serrage et des forces exercées sur les micro-objets afin de contrebalancer le poids à soulever.

Figure VI.30 : Visualisation du potentiel électrique et du déplacement globale dans la micro-pince pendant le serrage à faible pression d’un micro-cube modélisé sous Ansys®

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Les forces générées par ce type de micro-pince piézoélectrique n‟ont pas été mesurées à ce jour. Pour avoir une idée plus précise des forces de serrage, nous avons simulé sous Ansys^® l‟étape de serrage et ainsi calculé par le modèle EF, les forces exercés sur le micro-cube. Nous obtenons à titre d‟exemple, une force de blocage de 25mN pour une tension de 60Volts. Il en résulte le fait qu‟il est possible d‟obtenir des contraintes plus importantes en multipliant tous simplement la valeur de la tension appliquée. Cette propriété est mise à profit dans la micromanipulation. Cependant lorsque ces micromanipulateurs sont bien maîtriser, les forces de serrage peuvent constituer un moyen intéressant pour manipuler des micro-objets.

Figure VI.31 : Iso-valeurs de la contrainte ζyy et la déformation εyy dans la micro-pince piézoélectrique pendant le serrage à faible pression d’un micro-objet de forme cubique

La répartition des contraintes et les déformations dans la micro-pince piézoélectrique sous l‟effet de différentes valeurs de tensions électriques imposées sont présentées dans la Figure VI.31. Elle a permis de vérifié si nous avions bien le comportement souhaité avec des contraintes mieux réparties dans la microstructure.

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Nous pouvons constater que l‟effet d‟un bon serrage est bien présent sans déformation du micro-objet, ainsi qu‟une diminution des contraintes et de déformations avec une meilleure répartition spatiale. Il a été constaté que les contraintes ne sont pas localisées au niveau de l‟encastrement, elles sont mieux réparties et de façon homogène dans le micromanipulateur piézoélectrique. Afin de tester le bon fonctionnement de notre modèle EF pour d‟autres formes, nous avons procédé à des simulations numériques à l‟aide du logiciel d‟éléments finis Ansys®

. La Figure VI.32 relate bien les différentes étapes de micromanipulation pour lesquelles les doigts PZT sont dans une situation complètement ouverte et se ferme progressivement. Concernant les forces de serrage, elles ont été estimées à quelques milli-Newton pour une tension de 10Volts. La Figure VI.32 présente différentes tâches de micromanipulation précise d‟un micro-objet de forme cylindrique sans destruction et dans les bornes.

Figure VI.32 : Manipulation d’un micro-objet de forme cylindrique avec une micro-pince piézoélectrique réalisée sous Ansys^®

A titre d‟exemple, deux résultats de serrage d‟un micro-objet de forme cylindrique sans ou avec contact entre doigts et l‟objet à soulever sont illustrés sur la Figure VI.33. La Figure VI.33.a on voit bien que la micro-pince ne détecte pas le micro-objet puisque les deux doigts se croisent avec une pénétration dans le corps du micro-objet tandis que sur la Figure VI.33.b le serrage se passe dans les bonnes conditions grâce aux éléments de contacts prises en compte dans les calcules. La Figure VI.34 présente un micromanipulateur piézoélectrique qui réalise différents mouvements pour déplacer l‟objet à gauche et à droite sur de petites distances et peuvent même être tournés de plus de 2° sans être lâché.

Université des Frères Mentouri Constantine ¹²⁷ Figure VI.33 : Iso-valeurs de la déformation εyy dans la micro-pince piézoélectrique pendant le ser-rage à faible pression réalisé sous Ansys^® sans ou avec les éléments de contacte défini entre l’objet à

serrer et les organes terminaux

Figure VI.34 : Serrage à faible pression d’un micro-objet de forme cylindrique suivi d’un déplacement à gauche et à droite obtenu sous Ansys^®

Que ce soit pour réaliser des opérations de micro-assemblage ou pour visualiser un micro-objet à l‟aide d‟un microscope, il est très utile, parfois indispensable, de pouvoir calculer par simulation par EF l‟amplitude et la limite des forces de serrage à appliquer sur les micro-objets à serrer sans les détruire (cf.fig.VI.35). Les résultats obtenus pour deux micro-objets sont présentés sur la Figure VI.35 en termes de forces de serrage Fy à appliquer à l‟extrémité libre des doigts de serrage en fonction de la tension électrique pour maintenir l‟objet sans détérioration et sans aucune erreur de centrage. Pour l‟actionneur PZT PIC 255, nous obtenons une flexion dans le plan (selon l‟axe y) de l‟ordre de 36µm et une force de blocage d‟un objet de forme cubique de 400µm de cote d‟une dizaine de milli-Newton pour une tension de 10Volts. Concernant le micro-objet de forme cylindrique, la flexion atteint 35µm et la force de blocage est de l‟ordre de 7mN pour la même tension.

Université des Frères Mentouri Constantine ¹²⁸ Figure VI.35 : Amplitude des forces exercées sur les micro-objets

VI.4 Conclusions

Dans un premier temps, les simulations ont été faites sur un seul doigt de la micro-pince piézoélectrique on le modélise par une poutre encastré à l‟une de ses extrémités, vue la symétrie du problème. Pour faire simple, le bras déformé par un chargement électrique imposé, est modélisé sans l‟organe de serrage. Ces simulation faites l‟objet de savoir les différentes modes de déformation d‟un seul doigt de serrage sous un effet inverse et de connaitre la valeur exacte du potentiel électrique pour un déplacement bien précis. Par la suite on a fait une Validation expérimentale et comparaison analytique avec des travaux déjà faits en tenant compte sur les mêmes conditions aux limites ou on a trouvé une cohérence entre les deux modèle analytique et numérique avec l‟expérimentale. Dans un second temps,

nous traitons le problème dans sa globalité en modélisant les différents modes de flexion de la micro-pince PZT avec deux doigts de serrage avec et sans organe terminal ou on a vu six modes de déformations dans lesquels on a constaté le mode le plus utilisé en micromanipulation qui permet d‟assurer le serrage, le maintien et aussi le desserrage, à la fin de ce chapitre deux exemples d‟application à la manipulation de micro-objets avec des simulations numériques à l‟aide du modèle EF développé ont été lancés par un micro-pince en utilisant le PZT PIC255 car c‟est un matériau piézoélectrique mou qui a des bonnes performances électromécanique. D'ailleurs, toutes les performances de la pince ne sont pas figées et peuvent être adaptées à l'application ; les déflexions et les efforts développés peuvent être ajustés en modifiant la géométrie des actionneurs.

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Chapitre VII

Modélisation et simulation numérique d’un