MISE EN ŒUVRE

Les maquettes sont donc constituées de trois plaques. Une plaque d’aluminium, de 7 mm d’épaisseur, prise en sandwich entre deux plaques de PMMA dont l’épaisseur est fixée à 20 mm. Les canaux ‘procédé’ et ‘utilité’, de section carrée ou rectangulaire, sont usinés respectivement sur une des deux plaques de plexiglas et sur la plaque d’aluminium. C’est donc en assemblant les plaques les unes avec les autres que les canaux seront fermés. Le principe est identique à celui des échangeurs à plaques.

Afin de tester le plus grand nombre de géométries possible, la fabrication des maquettes doit être simple, leur mise en œuvre et assemblage rapides et les délais de livraison courts. L’étape limitante lors de la fabrication concerne l’usinage des canaux ‘procédé’ puisque pour chaque géométrie, une plaque sera nécessaire. Pour plus de réactivité, il est donc préférable de graver les maquettes sur place, au laboratoire.

L’acquisition d’une mini-fraiseuse numérique (CharlyRobot) a permis de lever ce verrou et d’usiner facilement et rapidement des canaux de section carrée ou rectangulaire.

II.4.2.1 Le CharlyRobot

Cette fraiseuse numérique (cf. figure II.9) permet d’usiner (en 2D ou en 3D) une large gamme de matériaux allant des mousses aux métaux ‘tendres’. Elle est donc tout à fait adaptée aux matériaux sélectionnés dans ce travail : le plexiglas et l’aluminium. Les

dimensions du plateau sont de 375 x 330 mm, fixant ainsi les dimensions maximales des maquettes. L’outil à graver est une fraise à fond plat. Cette caractéristique permet d’usiner des canaux carrés ou rectangulaires, leur largeur étant fixée par le diamètre de la fraise.

Figure II.9 : Photographie du CharlyRobot.

Les courses de la fraise en X, Y et Z valent respectivement 310, 220 et 160 mm. Les dimensions finales du canal ‘procédé’ ne devront donc pas excéder ces valeurs sachant que celles de la maquette ont été fixées à 320 x 190 x 20 mm.

Enfin, des logiciels de conception (CAO) et de fabrication assistée par ordinateur (FAO) permettent de programmer les géométries à graver et de communiquer avec la fraiseuse (cf. figure II.10).

Figure II.10 : Logiciel de Cao (en haut) et de FAO (en bas).

Le protocole d’usinage pour chaque plaque ‘procédé’ est le suivant :

- Conception assistée par ordinateur de la géométrie du canal réactionnel ;

- Transfert du fichier vers le logiciel de FAO. A ce stade, un certain nombre de données de conception sont requises : la nature du matériau (plexiglas et métal tendre dans le cas de la plaque ‘utilité’) ; la vitesse de rotation de la fraise (respectivement 9500 tr·min-1 et 13500 tr·min-1), sa vitesse d’avance (respectivement 20 mm·s-1 et 1 mm·s-1), sa vitesse de descente (respectivement 8 mm·s-1 et 1 mm·s-1) et la profondeur de l’usinage ;

- Fixation de la plaque vierge sur le plateau de la fraiseuse. Des repères permettent de la centrer et de l’aligner par rapport aux axes (X,Y) ;

- Repérage du zéro par rapport au capteur outil. Cette étape doit être réitérée à chaque usinage car le zéro n’est jamais mémorisé notamment celui par rapport à l’axe Z (axe vertical), c’est lui qui déterminera la profondeur effective du canal ;

- Préchauffe de la fraise, elle est mise en rotation dans le vide durant 10 minutes ; - Fraisage de la plaque (environ 15 min) ;

- Nettoyage des canaux à l’air comprimé puis à l’eau.

L’étape la plus longue correspond au dessin des géométries sur le logiciel de CAO. Après cela, une trentaine de minutes sont nécessaires pour réaliser chaque maquette.

II.4.2.2 Tests d’étanchéité

L’étanchéité aux raccords est assurée par du ruban téflon placé autour de la visserie Swagelok. Aucune fuite n’est constatée.

Le point critique concerne l’étanchéité entre les canaux le long de la plaque de fermeture. Plusieurs modes de serrage ont été testés : à l’aide de vis, avec des étaux ou encore des contreplaques d’acier incrustées dans la partie centrale des plaques de plexiglas afin de créer des points de pression sur le pourtour et au centre de la maquette. Dès la mise en eau, des fuites sur le pourtour de la maquette sont apparues. Dans un premier temps les plaques ont alors été surfacées avec une tête à aléser munie d’un outil à surfacer en acier rapide, sans succès. Seule l’utilisation d’une fraise diamant permet d’affiner suffisamment le surfaçage. Les tests d’étanchéité ont permis de valider ou non les réglages de la machine- outil. Il y a 3 niveaux de validation :

- Tout d’abord, la maquette est mise en eau et l’on vérifie l’absence de fuites sur les bords des plaques ;

- Ensuite, un colorant est injecté à l’entrée de la maquette. Si des fuites entre les canaux existent, elles sont facilement visualisées (cf. figure II.11) ;

(a) (b)

Figure II.11 : Photographie d’une maquette qui n’est pas étanche avant traitement de l’image (a) et après (b).

- Enfin pour s’assurer de l’absence de passages préférentiels, la quantité de colorant injecté est mesurée à l’entrée puis à la sortie de la maquette. La forme du pic de sortie et le bilan matière garantissent l’étanchéité des canaux (cf. figure II.12).

0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E-04 6,00E-04 7,00E-04 8,00E-04 9,00E-04 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 temps (s) C o n c e n tr a ti o n ( m o l. L -1 )

Figure II.12 : Evolution du pic de colorant entre l’entrée et la sortie de la maquette.

Dans ce cas, la différence entre les aires sous les courbes vaut -1% et il n’y a qu’un seul pic en sortie. Ces deux points confirment l’étanchéité de la maquette.

II.4.2.3 Assemblage

La plaque ‘utilité’, en aluminium, est incompatible avec l’iode utilisé pour les caractérisations du mélange et du micromélange. Les plaques ne doivent donc pas être assemblées définitivement et il faut pouvoir retirer la plaque ‘utilité’ après les expériences de thermique. Les maquettes sont donc assemblées par serrage. Cette méthode permet en outre de n’usiner qu’une seule plaque ‘utilité’ qui servira pour toutes les maquettes. Elle présente un inconvénient majeur : les plaques doivent être parfaitement lisses et planes au préalable pour garantir l’étanchéité. Les fournisseurs en PMMA ne garantissent jamais l’état de surface de leurs plaques car il dépend du transport et du mode de stockage (température, humidité, position verticale ou horizontale,…). Il faut donc surfacer chaque plaque avant et après leur usinage. Cette étape nécessite l’emploi d’une fraise diamant montée sur une fraiseuse plus imposante et plus lourde que le CharlyRobot afin d’éviter toutes vibrations durant l’opération. Le protocole d’assemblage est le suivant :

- Découpe aux dimensions des plaques de plexiglas et de la plaque d’aluminium (320 x 190 x 20 mm) ;

- Surfaçage de chaque plaque à la fraise diamant, les vitesses de rotation et d’avance ont été fixées à 630 tr·min-1 et 12 mm·min-1 après de nombreux tests d’étanchéité ; - Fraisage des canaux sur les plaques ‘procédé’ et ‘utilité’ selon le protocole

précédent ;

Entrée

- Surfaçage des plaques gravées avec les mêmes caractéristiques que le précédent afin d’éliminer les imperfections dues au fraisage ;

- Perçage des plaques au niveau des vis de serrage, des entrées et sorties des fluides ‘utilité’ et ‘procédé’, de l’injection du réactif secondaire et des prises de température. Dans le cas idéal, cette étape aurait dû être réalisée avant le surfaçage. Cependant, les trous augmentaient l’effet de vibration de la plaque lors du passage de la fraise diamant, altérant son état de surface ;

- Taraudage des entrées, sorties, injections et prises de température pour raccorder les maquettes au banc d’essai ;

- Assemblage par serrage, 16 vis sont placées à la périphérie des maquettes (cf. figure II.13). Afin de ne pas voiler les plaques, le serrage est réalisé en deux temps à l’aide d’un tournevis dynamométrique, d’abord à 1.75 N·m-1 puis à 3 N·m-1. De même, une procédure de serrage a été mise au point (cf. figure II.13).

(a) (b)

Figure II.13 : (a) Photographie d’une des maquettes sans la plaque d’aluminium (b) Schéma de serrage (dans l’ordre de 1 à 16).