Les approches expérimentales proposées dans le précédent chapitre nous ont permis de rendre compte de la cinétique de la SIC lors d’essais de traction monotone. Les temps les plus courts que nous avons mesurés sont de l’ordre de quelques dizaines de millisecondes. Les techniques de détection utilisées alors étaient indirectes et ne nous ont donc pas permis de déterminer l’évolution du taux de cristallinité ni même de la morphologie des cristallites. Afin de pouvoir analyser plus finement la cinétique de SIC à ces grandes vitesses, une mesure directe par rayons X s’impose donc. Cette dernière est cependant difficile à mettre en place puisque le temps cumulé d’exposition et de transfert des détecteurs de rayons X est de l’ordre de quelques secondes, dépassant ainsi largement les temps d’apparition de la SIC précédemment mesurés. Afin de contourner cette difficulté, Long et Acken 1, 2 ont développé dans les années 30 une technique originale d’acquisition stroboscopique. Celle-ci consiste à solliciter dynamiquement un échantillon, puis à enregistrer un cliché de diffraction immédiatement après l’arrêt de la déformation de cet échantillon à une déformation choisie. La répétition de cette procédure permet alors d’accumuler le temps d’acquisition et donc d’estimer le retard de cristallisation pour la déformation souhaitée. Dans les années 70, Kawai 3, 4 s’est inspiré de cette technique en l’améliorant puisque les clichés de diffraction sont obtenus sans interruption de la déformation lors de cycles pouvant aller jusqu’à 10Hz. Cela est permis grâce au positionnement d’un obturateur sur le dispositif expérimental dont le mouvement est synchronisé avec la déformation cyclique de l’échantillon. Plus récemment, un dispositif expérimental s’inspirant également de cette technique a été développé par Albouy et al. 5. Les paramètres cristallins sont mesurés au maximum et au minimum de déformation pendant le cycle, pour des fréquences pouvant atteindre 50Hz. Simultanément aux travaux d’Albouy, nous avons développé au laboratoire MATEIS une machine de traction dynamique dans le but d’analyser la cinétique de cristallisation sous tension du caoutchouc naturel dans une gamme de vitesses d’essai encore jamais explorée. Ce chapitre décrit les étapes importantes de l’élaboration de la machine telles que le dimensionnement des principales pièces mécaniques ou sa conception sous logiciel de CAO, mais aussi la mise en place de l’essai ainsi que l’analyse des rayons X dans ces conditions dynamiques.
Chapitre 6. Conception d’une machine de
traction dynamique pour essais RX in situ
Sommaire
1. Cahier des charges ... 163 2. Choix des systèmes et dimensionnement ... 163 2.1. Choix du système mécanique ... 163 2.2. Dimensionnement du système mécanique ... 164 2.3. Choix du système de motorisation ... 169 3. Conception de la machine de traction ... 169 3.1. Le système de motorisation ... 170 3.2. Le système mécanique ... 170 3.3. Le système stroboscopique ... 171 3.4. Assemblage des différents systèmes ... 172 3.5. Les outils de mesure ... 173 3.6. Finalisation de la conception ... 176 4. Niveau de biaxialité dans les éprouvettes mini-PS ... 177 5. Mise en place de l’essai dynamique ... 179 5.1. Installation de la machine sur les bancs d’essai ... 179 5.2. Déroulement de l’essai dynamique ... 180 5.3. Réglage du temps d’exposition ... 181 6. Bilan ... 184 7. Références ... 184
1. Cahier des charges
La machine de traction doit permettre de solliciter des échantillons d’élastomères chargés et non chargés à des déformations de plusieurs centaines de pourcent sur une large gamme de fréquences (1 Hz à 100 Hz). Remarquons d’ores et déjà que ces conditions de sollicitation drastiques peuvent s’accompagner de phénomènes indésirables tels que le flambement (compression de l’échantillon lors de la rétraction), l’auto-échauffement, ainsi que la fatigue et la rupture des échantillons. Afin de limiter ces phénomènes, les échantillons sont sollicités dynamiquement après avoir été pré-déformés sur plusieurs centaines de pourcents. L’amplitude de la déformation dynamique est donc limitée mais doit néanmoins être suffisante (quelques dizaines à quelques centaines de pourcents) afin d’observer une évolution significative de la cristallisation lors des cycles.
De plus, pour que la surface irradiée de caoutchouc reste fixe lors des essais in situ, la déformation de l’éprouvette doit nécessairement être symétrique. En outre, la machine doit comporter les systèmes de mesure adéquats permettant d’évaluer la force, le déplacement ainsi que l’échauffement des échantillons. Un four est également nécessaire pour réaliser des essais à température variable, idéalement entre la température ambiante et 100°C.
La machine doit aussi être transportable et adaptable sur les différents bancs d’essai (synchrotron ou banc d’essai en laboratoire). Son volume ainsi que son poids doivent donc être minimisés. Enfin, le coût du projet doit être raisonnable, ce qui exclue sa sous-traitance ou bien l’utilisation excessive de produits clé en main.
2. Choix des systèmes et dimensionnement
2.1. Choix du système mécanique
Afin de répondre au cahier des charges, deux systèmes ont été rapidement identifiés : un système utilisant deux pots vibrants et un système plus rustique basé sur le mécanisme de bielle-manivelle. Le premier système présentant des contraintes lourdes telles que le poids, le volume imposant des seuls pots vibrants, leur coût élevé ainsi que leur capacité limitée aux fréquences supérieures à 20Hz, notre choix s’est finalement porté sur le deuxième système.
Une étude préliminaire de dimensionnement et conception a ensuite été confiée à deux étudiants en projet de fin d’étude à l’INSA de Lyon qui ont élaboré une première ébauche de la machine sous CATIA. En conclusion de ce travail, la machine proposée requiererait l’engagement d’une puissance motrice trop élevée par rapport à certaines demandes du cahier des charges telles que le coût et l’encombrement. Nous avons donc exploré d’autres solutions. Dans la suite nous présentons les réflexions et étapes principales de notre travail ayant conduit à la conception et la réalisation de la machine telle qu’elle a été finalement réalisée.
2.2. Dimensionnement du système mécanique
Le principe de fonctionnement de la machine de traction est présenté en figure 1. La zone de l’échantillon irradiée est maintenue fixe grâce à une déformation symétrique permise par deux systèmes bielle manivelle disposés de part et d’autre de l’échantillon. Ces systèmes permettent de transformer le mouvement de rotation de deux arbres de transmission (représentés par les cercles sur le schéma) en mouvement oscillant d’une tige dans l’axe de traction. Ces systèmes sont mis en mouvement par un moteur capable d’engendrer une rotation couplée des deux arbres. Les deux systèmes de bielle manivelle sont obligatoirement déphasés de 180° afin de permettre la déformation de l’échantillon, comme suggéré par le schéma de la figure 1.
Figure 1. Principe de fonctionnement du système mécanique.
Le système bielle manivelle dont le schéma cinématique est présenté en figure 2, est modélisé par une masse m et un ressort entropique dû à la déformation de l’échantillon. Une liaison glissière assure le maintien de la tige dans l’axe de traction. L’amplitude de la déformation imposée à l’échantillon est directement dépendante de la valeur de l’excentrique choisie. La valeur de l’excentrique est égale au rayon du cercle parcouru par l’extrémité de la bielle fixée à l’arbre de transmission.
Figure 2. Schéma cinématique du système bielle manivelle (demi système
mécanique).