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LA MINIATURIS ATION FAIT LOI !

François-Xavier Lenoir

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- Pourquoi faut-il miniaturiser ? Quels sont les défis, les succès et les limites ?

Pourquoi miniaturiser ? Parce que c'est à la mode. Sous l'influence de la téléphonie, de l'informatique, des lecteurs MP3..., le tout petit fait recette dans le public. Mais ce n'est pas, et de loin, la raison majeure. La forte poussée que connaît la miniaturisation s'explique avant tout par la pression de l'innovation. Poussés par le marketing, les produits intègrent de plus en plus de fonctions pour se différencier, pour séduire. Et, le plus souvent, cette inflation de fonctions doit se faire... à encombrement constant. Que l'on songe aux automobiles, avec la multiplication des airbags, la généralisation de la climatisation et du GPS, des ABS et autres ESP. Ou au téléphone portable qui, non content d'être devenu appareil photo, intègre même un flash et, bientôt, un disque dur ! À moins de transformer les voitures en camions et les portables en fardeaux, il n'y a pas d'autre choix que de réduire la taille des composants.

De même, l'innovation impose à certains produits de se faire oublier, de se glisser dans des emplacements minuscules, notamment en domotique, dans des fenêtres, dans des interrupteurs... Stark et Somfy multiplient ainsi les innovations. Même les clés et les serrures, comme le montre le cylindre électronique de Bricard ou la clé Y 200 de Dény.

Un nouveau challenge

Cette tendance est la même pour les produits industriels. Les moteurs brushless d'Indramat et de Transtechnik, par exemple, sont désormais dotés d'un variateur de vitesse. Mais leur encombrement n'a pas changé pour autant.

Heureusement, l'électronique et l'informatique viennent à la rescousse des concepteurs. Mais, quoi que l'on fasse, pour la structure, les mouvements, les fonctions à réaliser, il faut aussi rendre la mécanique plus compacte. Impossible d'y échapper.

Cette complexification a une conséquence néfaste. Davantage de fonctions, c'est plus de poids, ce qui est souvent insupportable. Pour alléger, il devient donc nécessaire de limiter le poids et le volume, non seulement des composants correspondant aux nouvelles fonctions, mais aussi de ceux qui assuraient les anciennes. Dans l'automobile, par exemple, les ABS, les climatiseurs, les filtres, les alternateurs des voitures doivent tous subir une sérieuse cure d'amaigrissement.

Bref, le faible encombrement est devenu un but en soi, souvent même une contrainte du management de conception. De même que les bureaux d'études fonctionnent à coûts objectifs pour réduire le coût total, tout se passe aujourd'hui comme si l'on travaillait à encombrement et poids objectifs. Pour telle fonction, quelle place suis-je prêt à accorder ou quel poids suis-je prêt à supporter ? Voilà le nouveau challenge des concepteurs !

Autre moteur de la miniaturisation, les secteurs des biotechnologies, de la pharmacie et des sciences du vivant qui ont besoin d'une mécanique à leur échelle. Pour observer certains phénomènes, il faut aller voir physiquement ce qui se passe. Il existe de tout petits systèmes pour le suivi de l'action motrice à distance. Ainsi l'EPFL a développé un robot pour analyser le comportement... des blattes !

Montée en puissance de la mécatronique

Il y a enfin une autre bonne raison qui pousse à la miniaturisation. C'est tout simplement qu'elle est désormais possible à effectuer. Il y a cent ans, celui qui voulait transmettre une puissance élevée utilisait des engrenages énormes. Dans une taille donnée d'un roulement ou d'un réducteur, on passe aujourd'hui la même puissance que dans un modèle de taille bien supérieure il y a dix ou vingt ans. Le phénomène est le même en électricité-électronique et dans les technologies fluides. Les tailles ne cessent de diminuer à puissance constante. Par exemple, les variateurs de vitesse ont gagné un rapport 2,5 en dix ans.

Comment a-t-on réalisé ces exploits ? Tout bonnement grâce aux progrès des matériaux et des traitements, à de meilleurs moyens de conception et de calcul, à une connaissance plus approfondie des phénomènes physiques et à une appréciation plus réaliste des coefficients de sécurité et des conditions de fonctionnement.

S'ajoute à cela un autre progrès technologique majeur : la montée en puissance de l'électronique, de la mécatronique. Des organes mécaniques disparaissent. Coupleurs, cames, vannes de régulation s'effacent au profit de fonctions électroniques, voire de logiciels. Autant de progrès qui ne brident plus le concepteur dans sa course au toujours plus petit.

Reste que, pour faire de la petite mécanique, il faut des minicomposants. Bonne nouvelle. La famille s'élargit chaque jour. On trouve ainsi sur le marché de petits roulements, des minidécoupages, de petites chaînes (Tsubaki), de petites courroies (Binder Magnetic, Gates), des petites vis à billes (Iko, SKF Equipements, Kerk...), des miniressorts...

Tous les guidages sont également de plus en plus réduits. Ils sont devenus miniatures, chez Iko ou Mikros. Il faudra bientôt une loupe pour les voir... Ils peuvent être utilisés sur les machines d'impression. THK, INA, NSK RHP ne sont pas en reste. Et SKF Equipements s'est lancé en septembre dernier dans des vérins compacts. « En minimisant l'inertie, les temps de cycle sont considérablement améliorés », indique Jean-Marc Nivol, responsable marketing.

Pour tous les marchés

Il existe aussi de petits distributeurs pneumatiques reliés par réseaux de capteurs actionneurs, de petits vérins, des minipinces, de petits systèmes de serrage... pour toutes sortes de marchés : des machines d'assemblage, des machines à imprimer et à papier. Bosch Rexroth, SMC Pneumatique, Parker Pneumatique et Festo notamment rivalisent dans le downsizing (réduction de taille). L'une des finalités est de disposer de sous-ensembles constitués de tables guidées servant à réaliser des systèmes cartésiens X, Y, Z.

Pour répondre aux exigences nouvelles de la téléphonie, Festo propose ainsi tout un assortiment de pneumatique "intelligente" : chariots miniatures, vérins à faible course, mini-unités de translation, petits actionneurs électromécaniques, techniques du vide... « Tous ces produits ont en commun le gain de place, la légèreté, la précision et les cadences de fonctionnement élevées », indique Frédéric Reichert, responsable développement produits. Ils répondent aux exigences sévères de la fabrication électronique, de la mécanique de précision ou des techniques médicales et, plus généralement, du petit assemblage ou light assembly. Certains de ces produits ont même été conçus pour les salles blanches.

Des kits à combiner

De même, destinés à des entreprises comme Nokia, Philips, Intel ou Rohwedder, des produits miniatures, des actionneurs et des organes de commandes ont vu le jour pour les fonctions d'assemblage, de levage, de poussée, de serrage ou de centrage. « Le CPV smart cubic est le plus petit terminal de distributeurs qui soit, affirme encore Frédéric Reichert. Son débit de 150 l/min lui permet cependant de répondre aux exigences de toutes sortes d'applications. » Ce terminal de distributeurs - tout comme le distributeur CPA smart cubic - est si petit et si léger qu'il peut être monté sur un actionneur en mouvement, que ce soit sur un robot ou un manipulateur.

De son côté, Bosch Rexroth répond avec une gamme appelée Small Handling. « Nous poursuivons deux objectifs, explique Pascal Laurain, responsable marketing pneumatique du constructeur, miniaturiser des fonctions pour réduire l'encombrement des machines ainsi que le coût des études des éléments pneumatiques, et faire des composants que l'on puisse davantage intégrer. » Dans un premier temps, un projeteur qui a un mouvement à réaliser n'a plus qu'à choisir un vérin, avec son guidage et une plaque d'adaptation (sorte d'embase). Avantage pour le client : aujourd'hui, cette fonction n'est plus qu'une seule référence.

Dans une deuxième étape, dénommée easy to combine, le groupe tentera de rendre possible toutes les combinaisons pour éviter d'avoir à réaliser des adaptations entre modules, ce seront des kits par excellence. La troisième étape conduira à proposer aux industriels des systèmes complets tout assemblés. « Pas des machines, assure Pascal Laurain, mais des sous-ensembles. » L'important dans cette stratégie est aussi d'être plus réactif, notamment vis-à-vis du secteur automobile.

La taille des moteurs à l'échelle

SMC Pneumatique vient, lui, de marquer un grand coup dans le sens de la compacité en réalisant son vérin sans tige MY3. Partant de la gamme MY1 existante, les ingénieurs du département R&D ont réalisé une économie spectaculaire d'espace et de poids en utilisant un piston doté d'un nouveau profil. À elle seule, cette caractéristique a permis de réduire la hauteur du vérin jusqu'à 36 % et sa longueur de 140 mm, ce qui le désigne tout particulièrement pour les espaces réduits. Toutes les autres fonctions bénéficient du progrès réalisé : disposition des canalisations, mécanismes d'amortissement et de positionnement, centre de gravité abaissé. En outre, pour répondre à la demande de diminution de la taille des composants et des systèmes de raccordement, SMC a sorti une gamme de tubes de 1,2 mm de diamètre intérieur et des raccords miniatures de 2 mm de diamètre extérieur seulement. Les phénomènes de dépôt de fluide et de condensation y sont pris en considération.

Si les guidages atteignent des tailles que les industriels n'osaient imaginer il y a quelques années, la taille des moteurs doit suivre, tout en gardant leurs performances. Les minimoteurs sont légion : Maxon, Sonceboz, Dynam, RBC Bearing, MDP, Muvmo, Portescap, mymotors & actuators, TSA, Buehler en proposent. Festo est tellement conscient de l'importance de cette fonction que la société développe son propre moteur électrique. Le comble pour un pneumaticien !

Toute cette évolution nécessite cependant d'être vigilant. Lorsqu'un service études définit une cinématique, par exemple pour un robot d'inspection intratubulaire, il lui faut trouver les moteurs qui conviennent. Il existe des diamètres 3,2 mm pas très chers ; si l'on veut 1,9 mm, c'est autre chose. « Les technologies évoluant, on trouve des composants de plus en plus petits, faire remarquer Marc Dahan, directeur de recherche au Laboratoire de mécanique appliquée de Besançon. Il est important d'avoir des catalogues d'éléments régulièrement remis à jour. »

Une autre évolution de la miniaturisation mécanique concerne de près l'industrie électronique : ce sont les ventilateurs. La ventilation, le refroidissement sont des fonctions dont on ne peut se passer ; mais il faut les rendre plus compacts, plus fiables. Sur des ventilateurs Global Win, pour guider l'axe et tourner suffisamment vite, le roulement est remplacé par une céramique. Une huile lubrifiante, ayant la propriété de ne jamais sécher, assure que le palier conserve son efficacité.

Miniaturisation sans rupture technologique

Toutes ces avancées en matière de réduction des tailles des composants mécaniques sont favorisées par une caractéristique clé de la minimécanique. Contrairement aux autres modes de miniaturisation, comme les microtechnologies (et a fortiori les nanotechnologies), elle ne nécessite pas d'explorer de nouvelles voies. La mécanique miniature ne présente pas de rupture technologique par rapport à la mécanique classique. Les pièces sont obtenues par homothétie pure et simple. Cela dit, il n'en va pas tout à fait de même pour les machines requises pour fabriquer ces petites pièces. Paradoxalement, la taille des équipements n'est pas proportionnelle à celle des pièces fabriquées. « On a besoin d'une résolution plus poussée, une plus grande répétabilité est indispensable », affirme Michel Froelicher, directeur du Centre de transfert des microtechniques. Ainsi, ces machines sont souvent un peu plus volumineuses que ce qu'elles devraient être théoriquement.

La raison de ce paradoxe s'explique par des problèmes de rigidité. Pour être sûr de respecter les tolérances, il ne faut pas de dérive, pas de flexion, ce qui oblige à augmenter les épaisseurs. En revanche, un gain est parfois obtenu sur certaines opérations d'assemblage. Grâce à la commande numérique et aux machines 5 axes, il est possible de faire des pièces de plus en plus complexes sans avoir à les lâcher. « Cela nécessite un savoir-faire que les bureaux d'études commencent à posséder », indique Marc Dahan.

Néanmoins, puisque les composants à assembler sont de plus en plus petits, certaines machines doivent être plus rapides, plus légères. L'assemblage de produits microtechniques nécessite des systèmes adaptés aux tailles réduites, telles que ceux réalisés par Sysmelec ou Oku.

Il reste donc du pain sur la planche aux fabricants de machines comme aux fabricants de composants pour fournir les produits adaptés à la demande de miniaturisation. Cela dit, sur tous ces plans, la mécanique fait des efforts de miniaturisation que les micro- et nanotechnologies, qui sont sous les feux des projecteurs, ne doivent pas occulter.

SOMMAIRE9 EXEMPLES DE MINIATURISATION

1. Manutention Un bras manipulateur compact, rapide et agile Page 70 2. Instrumentation scientifique Micro-actionneur pour horloge ultraprécise Page 71 3. Machines à graver Les "mini" vis-écrous limitent la taille des moteurs Page 72 4. conditionnement Une pompe à vide de 15 grammes Page 72 5. Téléphonie Soixante vérins miniatures pour tester un clavier Page 73 6. Robotique médicale Le robot d'échographie sait se faire oublier Page 74 7. ÉLECTRONIQUE grand public Un disque dur au format timbre-poste Page 74 8. machines-outils Un mini-hexapode hyperprécis Page 76 9. micro-Usinage Le laser femtoseconde sort du labo Page 76

Jean-Pierre Goedgebuer Direction scientifique de PSA"EXPLOITER ENCORE PLUS LA SIMULATION."

«Aujourd'hui, l'une des difficultés à laquelle nous sommes confrontés provient de l'augmentation du nombre de fonctions. L'amélioration de la sécurité et la protection de l'environnement, ainsi que le confort des automobilistes se traduisent par des fonctions nouvelles qui ont un coût en termes de masse ou d'encombrement. C'est notre rôle de constructeur d'automobiles que de tout optimiser, ce que nous faisons lors de la synthèse véhicule. Les moteurs sont au coeur de notre métier. Là se pratique le "down-sizing". « Notre moteur 1,6 litre HDI présente une puissance équivalente au 2 litres de première génération. À prestations identiques, les émissions et les consommations sont très diminuées », indique Jean-Pierre Goedgebuer. Une technologie riche de promesses Dans le même esprit, la mécatronique et le multiplexage apportent un plus. « Nous développons le suivi de bande blanche latérale, un système mécatronique capable de lutter efficacement contre l'hypovigilance. La technologie du Drive-by-Wire est riche de promesses et elle est susceptible de contribuer à la réduction des masses et de l'encombrement ; elle nécessite encore des développements afin d'assurer une sécurité de fonctionnement compatible avec les standards actuels. Lors de tout changement, l'un des défis à relever est de garder au minimum les performances des organes existants. Un autre défi est de développer toujours plus la simulation numérique, afin d'optimiser le dimensionnement des pièces mécaniques en fonction des efforts qu'elles ont à fournir.

SEPT DÉFIS À RELEVER

Pour que la "minimécanique" se banalise, il faut encore : 1. Réaliser des machines qui aient suffisamment de raideur pour produire des pièces de précision. 2. Progresser en fabrication collective, pour diminuer les temps et les prix. 3. Maîtriser mieux les tolérances et le contrôle. 4. Travailler la standardisation et les interfaces. 5. Obtenir une modularité totale afin de supprimer les multiples pièces d'adaptation. 6. Perfectionner les systèmes de ventilation et de refroidissement. Ils sont encore insuffisants. 7. Améliorer la connectique. Elle bloque beaucoup de développements en microélectronique et ne donne pas entièrement satisfaction aux mécaniciens.

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