En nous basant sur le chapitre précédent, nous pouvons à présent établir les requis de démarrage conditionnant le choix des matériaux, ainsi que l’assemblage du moteur. La conception du moteur fût réalisée par Marc-André Hachey, supporté par la modélisation de Fabien Formosa (non-publié). Les éléments clés pour la fabrication, émanant de cette conception, seront résumés ici.
3.2.1
Au niveau composant
Chaque pièce constituant le MISTIC a un rôle important. Cependant, les variables de démarrage introduites par le milieu de fonctionnement du micro moteur induisent di- verses contraintes à prendre en considération. De même, l’échelle, la configuration peu commune, ainsi que les comportements attendus pour chaque composant, ont un impact sur le choix des matériaux, le design à adopter et la méthode de fabrication. Il est alors possible de dresser une liste correspondant aux critères à remplir pour être un composant satisfaisant. Cette liste reste non-exhaustive car à des fins d’amélioration et d’optimisation post-caractérisation, il est possible que d’autres requis puissent s’ajouter.
* Il faut en premier lieu s’adapter aux contraintes externes au moteur.
• Le micro moteur sera soumis à une source froide et à une source chaude. Les composants devront donc être en mesure de supporter les conditions externes pour des températures couvrant toute la plage de fonctionnement du moteur, allant de 5◦ C à 200◦ C, sans subir de dégradations.
• Outre la température, le banc de test induira des contraintes mécaniques de com- pression sur l’assemblage moteur. Les composants devront donc être en mesure de les subir sans nuire au fonctionnement.
• D’autre part, le pion constituant les pistons doit être capable de réagir avec le champ magnétique induit pas l’actionneur électromagnétique externe afin qu’une excitation puisse avoir lieu. En revanche, il faudra choisir des matériaux magné- tiquement neutres pour toutes les autres pièces afin d’éviter des courants induits dans la structure durant l’excitation. Ces courants peuvent réchauffer les pièces devant rester froids et induire des champs magnétiques inverses qui viendraient perturber l’actionneur.
* Il faut s’adapter aussi aux contraintes internes au moteur.
• Le fonctionnement nominale du MISTIC est prévu sous une fréquence de 2kHz, soit une période de 0.LEs échangeurs doivent donc posséder un coefficient d’échange thermique conséquent pour répondre au mieux aux exigences du modèle théorique.
3.2. LES REQUIS D’UN MICROMOTEUR MISTIC 41 • Enfin, les membranes polymériques doivent être capables de supporter des dépla- cements sur toute la course permise dans la chambre de fonctionnement et cela sans subir de déformation permanente. La hauteur d’une chambre s’élève à 200µm, donc 400µm pour la course à travers les deux chambres.
3.2.2
Au niveau assemblage
Une fois que nous avons pris en compte les remarques précédentes, il faut maintenant se questionner sur les contraintes amenées par l’assemblage de tous les composants.
• Comme les températures s’élèvent à 200◦ C par endroit, les parties solidaires doivent observer des dilatations thermiques similaires pour ne générer aucune contrainte amenant des fissures dans la structure assemblée.
• Il faut d’autre part prêter attention à la planéité de l’assemblage final, pour deux raisons. La première est que ce dernier subira une compression sur le banc de test et la deuxième et que les volumes utiles pourraient évoluer sous une mauvaise planéité entre deux pièces.
• Ensuite, le moteur doit être capable de contenir 5 bars de gaz tel que l’air ou l’hélium avec deux interfaces non collées. Des joints d’étanchéité sont donc nécessaires. • Aussi, les caractéristiques dynamiques des assemblages piston-membrane doivent
présenter des facteurs de qualité importants, Q >10, afin de satisfaire les conditions de démarrage. Dans la même optique, il est important que les facteurs de qualité de chacun des trois pistons présentent une faible différence pour assurer que leurs courses soient identiques. Dans le cas contraire leur mouvement serait perturbé. • Enfin, à des fins de caractérisation, il serait intéressant de penser à une méthode
de mesure du mouvement des pistons durant le fonctionnement. Pour cela plusieurs méthodes sont envisageables.
– Il serait possible d’instrumenter les membranes avec de jauges de déformation. – Il serait aussi possible de choisir des matériaux transparents pour constituer les
échangeurs, dans la mesure du respect des requis précédemment établis. Ainsi un signal de sonde optique serait capable de suivre le mouvement du piston au travers de l’échangeur.
Enfin, il est nécessaire de développer un banc de test capable de simuler l’environ- nement nominal de fonctionnement du moteur et d’acquérir les données nécessaires à sa caractérisation.
42 CHAPITRE 3. LE MICROMOTEUR MISTIC
3.2.3
Configuration choisie
La configuration planaire choisie pour le MISTIC est visible sur la figure 3.2 ci-dessous. Nous retrouvons les 3 sous-ensembles solidaires : le coeur et les 2 échangeurs. Chacun d’eux sera assemblé à part et les trois seront réunis sur le banc de test dans un assem- blage non-permanent. Chaque échangeur est composé d’une pièce en alumine de 200µm
Figure 3.2 Vue éclatée du MISTIC
contenant les chambres de fonctionnement et une pièce en saphir de 430µm qui les scelle.
Ces pièces sont fabriquées par découpage laser sur des feuilles de matériaux respectifs. Le saphir est transparent et schématisé en rouge pour le côté chaud et en bleu pour le côté froid.
En se rapprochant du centre nous voyons ensuite les membranes de Kapton de 25µm, sui-
vies de leurs supports de collage respectifs de 200µm en alumine. Ces derniers sont aussi
découpés au laser. Les membranes cependant subissent un étalement de PDMS avant de passer à la découpe laser.
En plein centre nous retrouvons le châssis de 1.75mm en MACOR (céramique usinable). Il y est visible le trou de remplissage du moteur, ainsi que les encoches pour l’actionneur
3.3. MÉTHODES DE FABRICATION 43