Les dispositifs exp´erimentaux

I.3.1.1 Le chassis commun `a tous les dispositifs

Tous les dispositifs utilisent un ´el´ement commun. Il s’agit du chassis d’une presse `a em- boutir de capacit´e 100 kN. De couleur bleue, il est visible sur la figure I.3.11. Ce chassis sert d’armature rigide sur laquelle sont fix´es les v´erins qui fournissent la charge verticale dans toutes les exp´eriences. Un v´erin hydraulique vertical de capacit´e de 3.5 kN est solidaire du chassis et dispose d’une course d’une dizaine de centim`etres. Il est utilis´e pour la compac- tion d’´epaisseur de poudre n´ecessitant des d´eplacements verticaux importants. Lorsque les d´eplacements sont inf´erieurs `a 1.5 cm nous d´emontons le v´erin hydraulique et utilisons un v´erin m´ecanique plus pr´ecis d´ecrit dans le paragraphe I.3.1.3.

Les dispositifs d´ecrits ci-dessous prennent place sur un plateau rigide horizontal en acier de 2cm d’´epaisseur, situ´e `a l’aplomb du v´erin vertical. L’horizontalit´e du plateau est assur´ee par quatre v´erins m´ecaniques et est v´erifi´ee avant chaque exp´erience avec un niveau `a bulle de pr´ecision de 1mm/m. Cette horizontalit´e assure la verticalit´e de σv.

I.3.1.2 La presse polyaxiale

Avant d’arriver au dispositif final, plusieurs dispositifs plus simples ont ´et´e d´evelopp´es. L’un d’entre eux nous a permis d’obtenir quelques uns des r´esultats et est d´etaill´e ci-dessous. Le dispositif est constitu´e d’une boˆıte rectangulaire en aluminium de 1 cm d’´epaisseur dont les dimensions internes sont de 150×57×50 mm. Les petites parois verticales sont fix´ees sur le socle de 1.5 cm d’´epaisseur. Les longues parois viennent se fixer `a la fois sur le socle et sur les petites parois grˆace `a 6 vis ´egalement espac´ees. Une plaque de dimensions 149.8×56.8×20 mm sert de plateau vertical sur lequel vient appuyer le piston vertical. Durant ce stade les deux contraintes horizontales sont identiques. On dess`ere ensuite les deux grands cot´es parall`eles, les petits cˆot´es restant fixes. Le mod`ele subit donc une d´eformation plane. Le pas des vis est de 1mm/ tour. En tournant successivement chacune des vis des grands cˆot´es d’une mˆeme valeur d’angle (en pratique 10˚) on contrˆole pr´ecis´ement l’allongement lat´eral du mod`ele sous l’effet de la pression verticale maintenue constante. L’erreur exp´erimentale absolue sur la mesure de l’angle est de l’ordre de 2˚, soit une incertitude sur la valeur du d´eplacement horizontal d’`a peu pr´es 0.005 mm.

Figure I.3.11 – _{Le dispositif exp´erimental et le syst`eme d’acquisition et de visualisation des} donn´ees.

I.3.1.3 Le dispositif polyaxial

Ce dispositif vient se placer sous le v´erin vertical (FIGs. I.3.11 et I.3.12). Il consiste tout d’abord en une base en forme de boite carr´ee en aluminium. L’´epaisseur des parois est de 1.5 cm d’´epaisseur. La boˆıte est entour´ee par une armature externe ´epaisse (Fig. I.3.11) pour rigidifier le dispositif. Deux paires de v´erins m´ecaniques de pr´ecision microm´etrique, de marque AMF, sont viss´ees sur les parois verticales internes. Ces quatre v´erins appliquent la d´eformation horizontale au mod`ele `a travers deux paires de plaques en aluminium ´equip´ees de capteur de force interne. Un cinqui`eme v´erin, identique aux pr´ec´edents, est fix´e au chassis de la presse `a emboutir et g´en´ere le d´eplacement vertical.

Les dimensions horizontales des ´echantillons admissibles par ce dispositif sont 65 × 65 mm. L’´epaisseur peut aller jusqu’`a 2.5 cm. Les v´erins, ainsi que les dispositifs de mesure de la contrainte horizontale, sont d´etaill´es ci-dessous (Fig. I.3.13).

L’application et la mesure des d´eplacements

Un des cinq v´erins m´ecaniques utilis´e dans ce dispositif est repr´esent´e sur la figure I.3.13. La relation entre la rotation appliqu´ee `a la vis et le d´eplacement induit du bloc mobile

Figure I.3.13 –_{Photo d’un des cinq v´erins m´ecaniques microm´etriques, modifi´es pour notre ´etude} et utilis´es pour appliquer et mesurer les d´eplacements horizontaux et verticaux aux limites du mod`ele. Un cadran compos´e de 72 graduations est plac´e sous la vis ´equip´ee d’un curseur et permet de mesurer les d´eplacements appliqu´es. Ainsi une rotation de la vis d’une graduation (5˚) ´equivaut `a un d´eplacement du v´erin de 1,12 ×10−2_mm.

du v´erin `a ´et´e v´erifi´ee avec un dispositif de mesure de d´eplacement `a laser (Fig. I.3.14). La courbe angle de rotation de la vis-voltage de sortie du capteur laser obtenue est parfaitement lin´eaire quelque soit l’incr´ement de d´eplacement du v´erin. Ce r´esultat indique une tr`es bonne pr´ecision du v´erin et nous permet d’affirmer qu’une rotation de 5˚ de la vis produira un d´eplacement de 0,012 mm.

0 2π 4π 6π 8π 10π 12π

Angle de rotation de la vis

0 5 10 15 20 25 30 voltage capteur laser (v) 0 5 0 5 10 15 20 25 30

Figure I.3.14 –<sub>Mesure, `a l’aide d’un dispositif laser, du d´eplacement du plateau du v´erin m´eca-</sub> nique en fonction de l’angle de rotation de la vis. Le capteur laser fournit une tension de sortie lin´eairement proportionnel `a sa distance de la surface r´efle- chissante du v´erin.

La mesure de la contrainte verticale

La contrainte verticale appliqu´ee `a l’´echantillon est mesur´ee grˆace `a des capteurs de force de forme bouton de marque Om´ega aliment´e en 10 volts (Fig. I.3.15). Selon la valeur maximale de la contrainte verticale atteinte durant l’exp´erience, on utilise des capteurs de capacit´e maximale de 250 kg et de 3500 kg. Les dimensions et les pr´ecisions des deux capteurs sont identiques (pr´ecision de 0.5%). Le capteur est pos´e au centre de la plaque sup´erieure du dispositif `a l’aplomb du centre du v´erin vertical (Fig. I.3.11).

Figure I.3.15 – <sub>Mod`ele de capteur utilis´e pour contrˆoler la force verticale. Deux capteurs de</sub> capacit´e diff´erentes sont utilis´es en fonction de la force maximale `a appliquer (Fmax = 255 kg et Fmax= 3500 kg).

La mesure des contraintes horizontales

La solution technique retenue pour mesurer les contraintes horizontales aux limites du mo- d`ele est sch´ematis´ee sur la figure I.3.16. Deux des 4 plaques verticales lat´erales en aluminium qui servent de plateaux aux v´erins horizontaux (Fig. I.3.12), sont usin´ees de fa¸con `a pouvoir accueillir un cylindre de diam`etre de 5 mm en acier et un capteur de force miniature. Durant l’exp´erience, le cylindre est en contact `a la fois avec le mod`ele et le capteur de force (Fig. I.3.16), permettant ainsi la mesure de la contrainte perpendiculaire au bord du mod`ele. L’axe du cylindre est situ´e exactement `a mi-´epaisseur du mod`ele. La surface du cylindre est enduite d’un lubrifiant pour ´eliminer la friction entre le cylindre et le plateau. La pr´ecision de ce capteur de force est de 0,5 % et sa capacit´e maximale de 2 kg. Les faces des plateaux en contact avec le mod`ele sont ensuite recouvertes d’une fine couche de polym`ere ´elastique afin d’“´eliminer” le relief du cylindre.

Figure I.3.16 – _{Bord lat´eral ´equip´e d’un capteur. a) vue en perspective ; b) sch´ema en coupe ;} c) photo du mod`ele de capteur de force miniature utilis´e pour mesur´e la force horizontale.

Avant chaque exp´erience, des tests de v´erification de la justesse de la mesure des contraintes sont r´ealis´ees. Les plateaux ´equip´es d’un capteur de force sont d´epos´ees ho- rizontalement et une masse ´etalon de 1kg est pos´ee sur les plateaux au niveau du cylindre avec le capteur. Pendant l’exp´erience, les deux plateaux sont plac´es de fa¸con `a enregistrer les contraintes normales dans les deux directions horizontales perpendiculaires.

I.3.1.4 La chaˆıne d’acquisition et de traitement des donn´ees

Les sorties analogiques des 3 capteurs de force (2 horizontaux et 1 vertical) sont bran- ch´ees sur une carte d’acquisition PCI de marque Powerdaq. Le signal est ´echantillonn´e `a 14 bits `a une fr´equence de 50000 Hz puis moyenn´e sur 1000 valeurs pour l’affichage par le logiciel de traitement du signal et d’affichage Dazylab. L’affichage des courbes d’´evolution en fonction du temps des valeurs num´eriques des 3 contraintes se fait en temps r´eel. Les donn´ees brutes sont enregistr´ees sur le disque dur pour le traitement ult´erieur.