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Proyecto Fin de Carrera Ingenier´ıa Industrial Dise˜no de M´aquinas y Veh´ıculos Dise˜no de una C´amara de Vac´ıo para medidas acopladas de Campos T´ermicos y de Desplazamientos Tomo 1/2 Andr´es Malo Estepa Junio 2013 Director: Eric Charkaluk Ponente: Jes´us Cuartero Salafranca Departamento de Ingenier´ıa Mec´anica Escuela de Ingenier´ıa y Arquitectura Universidad de Zaragoza Proyecto Fin de Carrera Ingenier´ıa Industrial Dise˜no de M´aquinas y Veh´ıculos Dise˜no de una C´amara de Vac´ıo para medidas acopladas de Campos T´ermicos y de Desplazamientos Andr´es Malo Estepa Junio 2013 Director: Eric Charkaluk Ponente: Jes´us Cuartero Salafranca Departamento de Ingenier´ıa Mec´anica Escuela de Ingenier´ıa y Arquitectura Universidad de Zaragoza Dise˜no de una C´amara de Vac´ıo para medidas acopladas de Campos T´ermicos y de Desplazamientos RESUMEN Este proyecto se realiza con el Departamento de Mec´anica de la ´ Ecole Centrale de Lille y el Laboratorio de Mec´anica de Lille (ambos en Francia). El estudio de los mecanismos de deterioro en el interior de los materiales reviste una especial dificultad, en tanto que no es posible aproximarse al estado real de el material en su seno. No obstante, es conocido que los mecanismos de generaci´on de fisuras comienzan por una separaci´on de las fronteras de grano del material (caso de los metales o cer´amicas) o de los elementos que constituyen al material (caso de los materiales compuestos). La generaci´on de fronteras libres en el seno del material conlleva la aparici´on de una energ´ıa ligada a las superficies libres, que se traduce en ligeros aumentos de temperatura. En el caso de los metales, estos incrementos de temperatura pueden ser observados mediante una observaci´on rigurosa con captaci´on de infrarrojos. La comparaci´on del campo t´ermico con el campo de desplazamientos - medido por correlaci´on de im´agenes - a que se somete al material permite establecer hip´otesis acerca del estado de degradaci´on del material. No obstante, la escasa magnitud de las variaciones de temperatura hace que su medida sea dif´ıcil, debiendo confinar el ensayo en un espacio aislado del exterior, en una atm´osfera de vac´ıo, donde no existan corrientes de convecci´on natural que puedan perturbar la medida, ni radiaci´on externa alguna. Dentro de dicho vac´ıo se dispondr´ıa de la muestra a evaluar y del dispositivo de ensayo: una m´aquina de tracci´on-compresi´on a peque˜na escala. Los objetivos de este proyecto son: Realizar el dise˜no de una c´amara de vac´ıo que permita la toma de datos para el experimento descrito anteriormente, tomando como base un trabajo anterior que establece la estructura general del experimento. Evaluar la factibilidad del dise˜no, previendo los procesos de fabricaci´on y montaje, as´ı como los costes derivados de la construcci´on de la c´amara de vac´ıo. Evaluar el estado de la microm´aquina de tracci´on-compresi´on junto con el personal de laboratorio, y efectuar los reglajes y puesta a punto para el experimento. Elaboraci´on de una memoria global del trabajo, a entregar al Departamento de Mec´anica de la ´ Ecole Centrale de Lille y Laboratorio de Mec´anica de Lille (Francia). III IV Este proyecto se realiz´o entre Mayo y Septiembre de 2012 en el Departamento de Mec´anica de la ´ Ecole Centrale de Lille. Quiero agradecer expresamente a mi tutor, Eric Charkaluk, el haberme ofrecido este proyecto, as´ı como por su apoyo y la gran libertad a la hora de realizar el dise˜no de la c´amara, que ha enriquecido mi formaci´on como ingeniero. Deseo extender mi agradecimiento a Christophe Niclaeys y a Fran¸cois Lesaffre, por haberme dado la oportunidad de vivir la experiencia ”de la experimentaci´on” durante el calibrado de la microm´aquina - con todos los problemas que fueron apareciendo -, as´ı como por su entera disponibilidad para discutir cualquier aspecto del proyecto y sus aportaciones, que me han permitido encontrar soluciones mucho m´as eficientes de lo que hab´ıa imaginado en un principio. Gracias tambi´en a Jean-Fran¸cois Witz, por sus aclaraciones acerca de la ´optica y el desarrollo del experimento, a Laurent Patrouix y al Taller de Mec´anica de la ´ Ecole Centrale de Lille, especialmente a Alain Deparcy, por sus consejos acerca de la fabricaci´on y la factibilidad de mis ideas. Quiero expresar mi agradecimiento a Jes´us Cuartero, por su atenci´on desde Espa˜na a lo largo del desarrollo del proyecto y su disponibilidad para revisar cualquier aspecto relevante. Finalmente, gracias a los que me han acompa˜nado a lo largo de esta experiencia: mi familia ”lilloise”, Albert, Anna, Laia, Bel´en, los Pablos... Y sobre todo a mi familia espa˜nola, siempre presente, que sigui´o el devenir de ”la caja” por Skype cada semana, y a mis abuelos, presentes y ausentes, a los que este proyecto hace casi m´as ilusi´on que a m´ı mismo. V VI Proyecto Fin de Carrera Ingenier´ıa Industrial Dise˜no de M´aquinas y Veh´ıculos Dise˜no de una C´amara de Vac´ıo para medidas acopladas de Campos T´ermicos y de Desplazamientos Andr´es Malo Estepa Junio 2013 Director: Eric Charkaluk Ponente: Jes´us Cuartero Salafranca Departamento de Ingenier´ıa Mec´anica Escuela de Ingenier´ıa y Arquitectura Universidad de Zaragoza 1. Introducci´on 1.2 Antecedentes Figura 1.2: Esquema del montaje dise˜nado por Romain Desbats.Im´agen extra´ıda del informe IMPACT de Romain Desbats. mediante dos c´amaras: una c´amara infrarroja y una c´amara de radiaci´on visible. Estos dos dispositivos permiten captar, de manera sincronizada, los campos t´ermico y de desplazamientos (este ´ultimo se procesa mediante correlaci´on de im´agenes). 1.2.2. Proyecto IMPACT de Romain Desbats La l´ınea de investigaci´on comenzada por la Dra. Laurence Bodelot contin´ua siendo objeto de trabajo de otros doctorandos de la ´ Ecole Centrale de Lille, que han profundizado en el objeto de estudio y en el m´etodo experimental descrito anteriormente. A trav´es de estos trabajos posteriores se ha constatado una serie de inconvenientes a corregir dentro de la metodolog´ıa planteada originalmente. La obtenci´on de una buena medida t´ermica de la probeta es vital para poder establecer una relaci´on fiable entre el estado del material y los desplazamientos a que se ha sometido. No obstante, la radiaci´on infrarroja que se obtiene directamente de la probeta no procede de los mecanismos de deterioro del material: una fracci´on es atribuible al fen´omeno de fatiga, otra a la reflexi´on de radiaciones par´asitas procedentes de cuerpos cercanos, y una ´ultima fracci´on corresponde al calor asociado a las corrientes de convecci´on natural en el entorno de la probeta. Conocido este problema, se decide dise˜nar un entorno de trabajo controlado en el que el ensayo no pueda ser perturbado por factores ambientales [2]. En el marco de la formaci´on de la ´ Ecole Centrale de Lille, el estudiante Romain Desbats llev´o a cabo un primer dise˜no y adaptar el experimento a los nuevos condicionantes. As´ı, se decide emplear como m´aquina de ensayos un dispositivo de tracci´on-compresi´on a peque˜na escala, dotarla de una c´amara fabricada en PMMA y de forma aproximadamente c´ubica para aislar el experimento. As´ı mismo, se decide emplear un p´ortico disponible 3 1. Introducci´on 1.3 Alcance del Proyecto y Condiciones en el laboratorio para anclar uno de los sistemas de observaci´on, que captar´a la fracci´on infrarroja procedente del interior de la c´amara. Finalmente, se definen los equipos necesarios para llevar a cabo el experimento y se efect´ua una estimaci´on de los costes de dichos equipamientos. No obstante, el dise˜no propuesto no resuelve una serie de interrogantes t´ecnicos como la justificaci´on de la elecci´on del material o la resoluci´on t´ecnica y la ejecuci´on pr´actica del dise˜no. ´ Esta serie de interrogantes se convierte en el punto de partida del presente proyecto. 1.3. Alcance del Proyecto y Condiciones A partir de los trabajos efectuados previamente, el Laboratorio de Mec´anica de Lille y el Departamento de Mec´anica de la ´ Ecole Centrale de Lille desean obtener un dise˜no preciso de la c´amara de vac´ıo para el experimento. Se deber´a partir de la configuraci´on actual del dise˜no del experimento para llegar a una soluci´on concluyente, en la que las decisiones sobre el dise˜no, material empleado, etc., est´en respaldados por una base te´orica. Son varios los puntos claves a tratar: Estado del arte. An´alisis cr´ıtico del dise˜no base del experimento y estudio de la geometr´ıa mediante un an´alisis por elementos finitos. Propuesta de soluciones pr´acticas al problema y evaluaci´on de cada una de ellas en base a criterios t´ecnicos. En base a la soluci´on que se propondr´a, prever un plan de fabricaci´on. Revisi´on del dise˜no en base a los condicionantes de fabricaci´on y establecer una estimaci´on de costes. Evaluar, con el personal del Departamento de Mec´anica de la ´ Ecole Centrale de Lille, el estado de los materiales disponibles y realizar una puesta a punto de la m´aquina de ensayos. Tras una primera toma de contacto con el personal implicado en el proyecto, se establece una serie de condicionantes generales para el dise˜no de la c´amara de vac´ıo, clasificados en varios apartados: condicionantes t´ecnicos, de utilizaci´on o ergon´omicos, de fabricaci´on. 1.3.1. Condiciones T´ecnicas C´amara de Vac´ıo estable frente a solicitaciones mec´anicas: dado que la toma de medidas por correlaci´on de im´agenes requiere de un enfoque sobre una peque˜na porci´on de la superficie de la probeta, es de vital importancia que el recinto donde se dispone la muestra, as´ı los sistemas de separaci´on de radiaci´on visible e infrarroja, no sufran alteraciones (deformaciones, desplazamientos) a lo largo del experimento. 4 1. Introducci´on 1.3 Alcance del Proyecto y Condiciones Buen comportamiento ´optico: puesto que el objetivo del experimento es reducir la radiaci´on infrarroja par´asita, creando un entorno estable y aislado, se buscar´a que las superficies internas de la c´amara tengan un comportamiento lo m´as parecido al de un emisor de cuerpo negro. Buen comportamiento t´ermico: se procurar´a que la c´amara de vac´ıo sea estable frente a cambios en el ambiente. No obstante, y como se prev´e que en el laboratorio el entorno de trabajo est´e controlado, no es un aspecto prioritario para el personal implicado en el experimento. 1.3.2. Condiciones de Utilizaci´on Bajo peso: el laboratorio no ha previsto un emplazamiento definitivo para la c´amara, por lo que a lo largo de su vida ´util podr´ıa tener que ser desplazada dentro de las instalaciones. Es deseable que la c´amara sea lo m´as ligera posible dentro de las limitaciones que imponga el dise˜no, y que se prevea un sistema de anclaje que favorezca su manipulaci´on en las operaciones de transporte. Estructura flexible: el dise˜no de la c´amara corresponde, en esencia, a un cubo de 400 mil´ımetros de arista. Dado el tama˜no, se considera interesante que la c´amara tenga un dise˜no flexible, que deje la posibilidad de efectuar posibles modificaciones en su estructura y poderla reutilizar en experimentos posteriores. Estructura del experimento sencilla: se impone como condici´on que el experimento requiera el menor n´umero de operaciones de calibrado y preparaci´on posibles, procurando eliminar toda manipulaci´on del interior de la c´amara una vez puesta bajo vac´ıo. 1.3.3. Condiciones de Fabricaci´on Dise˜no sencillo: se busca un dise˜no sencillo, con piezas simples y con un montaje f´acil. Fabricaci´on propia: se intentar´a realizar un dise˜no que pueda ser realizado por los propios talleres del Departamento de Mec´anica de Lille o por un proveedor habitual a subcontratar. Se deber´a consultar con el personal de taller la factibilidad del dise˜no, las posibles mejoras y una estimaci´on de los costes. 5 6 2. Plan de Dise˜no 2.1. Estado del Arte Bajo este ep´ıgrafe se desea recoger el trabajo previo que ha servido de punto de partida para el proyecto, llevando a cabo una descripci´on detallada de los aspectos clave a tener en cuenta. 2.1.1. Dise˜no del Experimento 2.1.1.1. Geometr´ıa y Montaje La disposici´on geom´etrica del experimento ha permanecido invariable desde el trabajo realizado por la Dra. Bodelot en su tesis. La probeta de ensayo se dispone en una m´aquina de tracci´on-compresi´on de forma que una de sus dos caras, convenientemente tratada, quede bien expuesta hacia el sistema de observaci´on. Dicho sistema de observaci´on est´a compuesto por un espejo dicroico colocado a 45 grados con respecto a la superficie de la probeta. El espejo deja pasar a trav´es de ´el la radiaci´on infrarroja, reflejando el espectro visible. As´ı pues, la c´amara infrarroja se colocar´a de forma frontal a la superficie observada, mientras que la c´amara para correlaci´on de im´agenes estar´a dispuesta en paralelo a dicha superficie y alineada con el espejo, como se muestra en la figura 2.1. La principal modificaci´on en el emplazamiento de los dispositivos de captaci´on surge de la idea de dotar al experimento de una c´amara de vac´ıo. Al colocar la probeta sobre la microm´aquina, su eje pasa de ser vertical al plano de apoyo (y al suelo) para ser paralelo a ´este, como se observa en la figura 2.2. Ello obliga a disponer la c´amara infrarroja en una posici´on vertical, y la c´amara de espectro visible pasa a estar colocada en paralelo al plano de apoyo. Por otro lado, el dise˜no previo decide colocar los sistemas de observaci´on fuera de la c´amara de vac´ıo, eliminando cualquier manipulaci´on o reglaje del instrumental dentro de la c´amara una vez ´esta se encuentra bajo vac´ıo. Esta disposici´on encuentra una justificaci´on en el ”Efecto Narciso”. Este defecto est´a asociado a la observaci´on directa de una superficie tratada con un objetivo muy preciso, que captar´a la radiaci´on emitida por dicha superficie m´as una radiaci´on par´asita correspondiente a su propio reflejo. El empleo del espejo dicroico como intermediario permitir´a evitar este problema. Para facilitar la ausencia de reglajes sobre el espejo, ´este se integra en la propia estructura de la c´amara, y ser´a la base de la microm´aquina la que podr´a ajustar su posici´on con respecto a las ventanas de observaci´on. Ello ser´a posible 7 2. Plan de Dise˜no 2.1 Estado del Arte Figura 2.1: Esquema del montaje dise˜nado por la Dra. Bodelot (izda.) y dise˜no sobre CATIA del experimento.Im´agenes extra´ıdas de la tesis de la Dra. Bodelot. Figura 2.2: Esquema del montaje dise˜nado por Romain Desbats (izda.) y detalle de la c´amara, dise˜nado con CATIA.Im´agenes extra´ıdas del informe IMPACT de Romain Desbats. gracias a su anclaje sobre un apilamiento de tres mesas microm´etricas, dot´andola de movilidad en los tres ejes del espacio, como se observa en la figura 2.3. La ejecuci´on pr´actica de la c´amara se prev´e en PMMA, tratado con negro de carbono en su interior para permitir la opacidad del recinto y un comportamiento lo m´as pr´oximo posible al de un cuerpo negro. 2.1.1.2. Elecci´on de Dispositivos En los desarrollos previos se prev´e la utilizaci´on de una serie de componentes tanto para la estructura del experimento en s´ı, como para los anexos destinados a proveer el vac´ıo y efectuar el control del experimento. Microm´aquina y sistema de control: la microm´aquina de tracci´on-compresi´on es un dispositivo capaz de realizar ensayos de fatiga sobre probetas, pero fabricado a escala reducida. En origen se utiliz´o para la observaci´on de este tipo de ensayos bajo 8 2. Plan de Dise˜no 2.1 Estado del Arte Figura 2.3: Emplazamiento de la microm´aquina sobre el conjunto de mesas microm´etricas. Calibrado ´optico mediante un cuerpo negro comercial. Esquema de radiaci´on del sistema hacia las c´amaras.Im´agenes extra´ıdas del informe IMPACT de Romain Desbats. un microscopio de barrido electr´onico (MEB) existente en el laboratorio. Est´a dotada de un adaptador para el cableado que sirve de interfaz entre el exterior y la c´amara de vac´ıo del MEB. Mesas microm´etricas: para regular la posici´on de la microm´aquina con arreglo a las ventanas de observaci´on, se prev´e el uso de tres mesas microm´etricas que permitan ajustar su posici´on antes del experimento. Fuente de radiaci´on/Cuerpo negro: se prev´e este dispositivo para efectuar el calibrado de la c´amara de radiaci´on infrarroja como paso previo a la realizaci´on del experimento. Compresor: aunque el laboratorio dispone de una red de distribuci´on de aire comprimido/vac´ıo, se juzg´o conveniente adoptar un compresor individual que genere el vac´ıo en el interior de la c´amara. 2.1.2. Materiales Disponibles 2.1.2.1. P´ortico y C´amaras de Captaci´on En estos momentos, el Laboratorio de Mec´anica de Lille dispone de una primera estructura en forma de p´ortico sobre la que se podr´ıa habilitar el montaje para el experimento. El p´ortico est´a construido a base de perfiles est´andar de Bosch. Consta de una base rectangular de 600 x 500 mm sobre la que se montan cuatro pilares de 810 mm de alto. ´ Estos est´an, a su vez, unidos dos a dos transversalmente mediante unas 9 2. Plan de Dise˜no 2.1 Estado del Arte Figura 2.4: De izquierda a derecha, de arriba a abajo: aspecto del p´ortico actual; detalle del sistema de tornillos para el movimiento en el plano XY; dintel del p´ortico que se conservar´a. traviesas. Colgando de ellas, se dispone de un sistema de desplazamiento lineal accionado por tornillos de potencia que permite el posicionamiento del sistema de observaci´on en el plano XY. 2.1.2.2. Microm´aquina de Tracci´on-Compresi´on El dispositivo de ensayo de las probetas es una m´aquina de tracci´on-compresi´on miniaturizada, capaz de desarrollar hasta 7 kN de esfuerzo m´aximo. Su estructura se fundamenta en dos traviesas unidas entre s´ı mediante dos tornillos de potencia. Dichos tornillos est´an accionados mediante un sistema de motores piezoel´ectricos paso a paso y un mecanismo de reducci´on. Dichos motores se encuentran colocados de forma antisim´etrica, cada uno en un lado de la microm´aquina. Cada traviesa monta un sistema de rodamientos axiales que sirve de base a las mordazas sobre las que se montan las probetas a ensayar. La m´aquina dispone de dos posibilidades de colocaci´on: en posici´on ”horizontal”, con el plano de observaci´on paralelo al plano de base, y ”vertical”, con el plano de observaci´on vertical o de frente al usuario. En el primer caso, la m´aquina apoya su peso sobre un v´astago vertical gracias a un sistema de apoyo el´astico. Dicho v´astago se apoya a su vez sobre una base cil´ındrica, en un alojamiento mecanizado a tal efecto. En el segundo caso, el apoyo se efect´ua sobre una de las cajas de rodamientos de los extremos, que encaja en un segundo mecanizado sobre la base citada anteriormente. 10 2. Plan de Dise˜no 2.2 Propuesta de Soluciones Figura 2.5: De izquierda a derecha: microm´aquina montada en vertical; detalle del sistema de mordazas; tornillo de potencia, junto con un motor-reductor y el captador LVDT (la varilla situada en primer plano). 2.2. Propuesta de Soluciones Una vez recopilada toda la documentaci´on relacionada con el proyecto y revisados todos los dispositivos y materiales disponibles, se ha llevado a cabo una reflexi´on acerca de los trabajos anteriores, como paso previo a la propuesta de varias arquitecturas para la c´amara de vac´ıo y a la elecci´on de los materiales a emplear. 2.2.1. Reflexi´on sobre el Estado del Arte 2.2.1.1. Dise˜no previo El dise˜no previo del experimento ha sido objeto de un an´alisis cuidadoso para entender las razones t´ecnicas que han llevado a proponer la geometr´ıa de base en la que se fundamenta el presente trabajo. Esta reflexi´on se ha enfocado sobre dos puntos: por un lado, la disposici´on general del experimento y la arquitectura propuesta para la c´amara; por otro, la geometr´ıa escogida para la tapa de la c´amara de vac´ıo, considerada como la pieza m´as relevante en tanto que debe permitir la correcta transmisi´on de las im´agenes del ensayo. En cuanto a la arquitectura general, se considera que la disposici´on actual del experimento permite un mayor grado de compacidad que el planteamiento inicial de la Dra. Bodelot, y que deber´ıa conservarse. No obstante, la estructura de la c´amara, tal cual se plantea, presenta el inconveniente de ser demasiado r´ıgida y poco adaptable frente a necesidades futuras. Un cambio en el dispositivo de ensayo o en la estructura del experimento requerir´ıa la perforaci´on de nuevas aberturas 11 2. Plan de Dise˜no 2.2 Propuesta de Soluciones para permitir la correcta interconexi´on de los nuevos dispositivos y, por ende, la necesidad de taponar las aberturas practicadas con anterioridad. As´ı mismo, el hecho de disponer el espejo dicroico como un elemento fijo en la tapa supone que la microm´aquina no puede ser utilizada m´as que en una disposici´on en paralelo al plano de base. Por otro lado, el dise˜no de la tapa es uno de los puntos clave a tener en cuenta. El espejo dicroico est´a encastrado en ella, y constituye el elemento cr´ıtico a la hora de transmitir correctamente los dos haces de radiaci´on hacia las c´amaras de captaci´on. Es por ello que se debe conocer de forma precisa el comportamiento del alojamiento del espejo, para as´ı garantizar la correcta transmisi´on de la imagen. No obstante, la elecci´on de la geometr´ıa de base no ha sido objeto de justificaci´on alguna en este aspecto, entendiendo que el comportamiento en trabajo no deber´ıa suponer una variaci´on sobre la situaci´on est´atica del conjunto. As´ı pues, se hace necesario estudiar el comportamiento del emplazamiento del espejo dicroico en funci´on de la geometr´ıa general de la tapa y del material empleado. Ello permitir´a realizar las modificaciones oportunas en cualquiera de los dos aspectos para garantizar, sobre una base fiable, el buen comportamiento del sistema de observaci´on durante la realizaci´on del experimento. Hay que observar que, de hecho, el dise˜no propuesto constituye en s´ı mismo un condicionante a la hora de fabricarlo: la geometr´ıa propuesta puede mecanizarse muy f´acilmente a partir de un bloque de PMMA en bruto, como se propone en los trabajo previos; un mecanizado en aluminio o acero es, en cambio, inviable, por las fuertes p´erdidas de material, y una fabricaci´on por piezas requerir´ıa de un ensamblaje cuidadoso para garantizar un resultado final dentro de tolerancias. 2.2.1.2. Necesidades materiales En general, la mayor´ıa de los elementos ya disponibles se reutilizar´ıan en la nueva arquitectura prevista para el experimento. El p´ortico se rehar´a alargando los pilares, guardando el dintel con el sistema de movimiento en el plano XY paralelo a la base. La microm´aquina y su sistema de control se reutilizar´an en el estado actual. La base de la microm´aquina es compatible con las mesas microm´etricas previstas, y la interfaz con el exterior mediante el ”tap´on” estar´a garantizada en el dise˜no. 2.2.2. Dise˜no de la C´amara En el trabajo previo realizado, el dise˜no de la c´amara no est´a detallado m´as all´a de las dimensiones generales del conjunto y de la forma de la tapa. Por lo tanto, se decide proponer varios tipos de arquitectura al personal responsable del proyecto, buscando cumplir con las exigencias planteadas en las condiciones del proyecto. 12 2. Plan de Dise˜no 2.3 Soluci´on Propuesta 2.3. Soluci´on Propuesta El proceso de evaluaci´on de las distintas opciones tanto en dise˜no como en materiales permitieron proponer una soluci´on concreta a los responsables del proyecto. Sucesivas reuniones a lo largo del proceso han servido para encaminar el proceso hacia una soluci´on considerada como la m´as satisfactoria. 2.3.1. Arquitectura de la C´amara El esp´ıritu original del dise˜no de la c´amara ha sido conservado en la propuesta final. Se conservan las dimensiones del espacio interior, que garantizan el montaje del experimento en las condiciones previstas por los trabajos previos. Adem´as, la estructura dise˜nada para la c´amara seguir´a guardando relaci´on con las modificaciones previstas de los anexos del experimento. Sin embargo, se ha puesto especial hincapi´e en la posibilidad de flexibilizar la estructura de la c´amara, de forma que tanto el acceso al interior como la adaptaci´on a futuros montajes sean lo m´as libres posible. Ello ha comportado una peque˜na p´erdida de la simplicidad de los componentes, que se justifica por la mejora de la funcionalidad. Dise˜no de las Paredes: de acuerdo con el dise˜no ”integral flexible” mencionado, se dotar´a a la c´amara de cuatro puertas de acceso en sus caras laterales. Se practicar´an cuatro aberturas en forma de cuadril´atero de bordes redondeados, en las que encajar´an otras tantas trampillas. ´ Estas tendr´an una forma semejante, con un centrado coincidente con las dimensiones de la abertura correspondiente. En el espacio alrededor del centrado, se practicar´a un alojamiento para una junta de estanqueidad. La trampilla frontal y las laterales est´an destinadas a servir de acceso al interior, mientras que la trampilla trasera servir´a de raccord para las tomas de vac´ıo, entradas de gases, tomas de corriente, sensores, etc. Las puertas de acceso se montar´an sobre bisagras, atornilladas a la pared de la c´amara, asegurando el cierre mediante un mecanismo de presi´on que precargue la junta antes de la puesta en vac´ıo. El raccord estar´a ensamblado de forma semi-permanente, mediante una serie de tornillos en todo su per´ımetro. Esta arquitectura permite separar los accesos de uso habitual durante los experimentos de las conexiones de la c´amara, emplazadas en el raccord trasero. As´ı mismo, toda adaptaci´on de la c´amara a un nuevo experimento s´olo requerir´a la adaptaci´on de las puertas o, directamente, el desmontado de las mismas y el acoplado de una nueva puerta que responda a las necesidades del nuevo ensayo. Dise˜no de la Tapa: de acuerdo con el estudio del comportamiento de la tapa, ha quedado mostrado que el PMMA no es el material m´as indicado para su realizaci´on pr´actica. Por otro lado, aunque tanto el aluminio como el acero resultar´ıan indicados, la ejecuci´on pr´actica de la tapa resultar´ıa complicada. M´as a´un: la forma de la tapa 19 2. Plan de Dise˜no 2.3 Soluci´on Propuesta Figura 2.12: Vista global de la c´amara, con las puertas abiertas. no permite adaptaciones ulteriores debido a su forma ”hueca” y con dos planos distintos. As´ı pues, surge la siguiente reflexi´on: ¿ser´ıa posible reducir la complejidad de la tapa, creando un alojamiento distinto para el espejo dicroico? Por lo tanto, se decide separar la estructura de la tapa en dos piezas distintas: una plancha de base y un alojamiento para el espejo dicroico con una geometr´ıa algo m´as compleja. •La plancha de base es, en esencia, una placa en la que se mecanizar´a un centrado para el ajuste sobre las paredes de la c´amara, un alojamiento para una junta de estanqueidad, y una serie de taladrados pasantes para los bulones de fijaci´on con el resto de la c´amara. As´ı mismo, se taladrar´ıa una mirilla de observaci´on sobre la posici´on de la probeta de ensayo. Sobre la superficie superior se mecanizar´ıa un rehundido o un centrado para encastrar en ´el el alojamiento del espejo dicroico. •El alojamiento del espejo dicroico es una pieza prism´atica, con forma de cubo truncado diagonalmente a 45 grados. Consta de una base mecanizada a partir de una pieza en bruto y, apoyada sobre ´esta, una plaqueta plana sobre la que se efect´ua el mecanizado del alojamiento del espejo propiamente dicho. 2.3.2. Elecci´on de los materiales A la luz de los resultados obtenidos en el an´alisis por elementos finitos, se considera que el PMMA, a pesar de su facilidad de mecanizado, no es el material m´as apropiado para construir la c´amara. El acero, pese a su gran resistencia, es muy pesado. El aluminio parece ser un buen compromiso entre peso y resistencia, si bien podr´ıa resultar problem´atico desde el punto de vista del montaje final. 20 2. Plan de Dise˜no 2.3 Soluci´on Propuesta Figura 2.13: Alojamiento del espejo dicroico (izquierda) y placa de base (derecha). Es precisamente el montaje la fase que m´as peso ha tenido a la hora de considerar la idoneidad de los materiales a emplear. El PMMA requerir´ıa un ensamblaje mediante torniller´ıa (y por ende, toda una serie de juntas de estanqueidad) o bien mediante resinas (lo que convertir´ıa la estructura en un montaje indeformable). El acero puede ser cortado mediante l´aser, plegado en l´aminas, soldado... aunque su elevada densidad desaconseja un uso excesivo. Por otro lado, el aluminio presenta dificultades importantes desde el punto de vista de la soldadura, aunque su buena relaci´on densidad-resistencia hace que resulte especialmente atractivo. El dise˜no final aprovecha las cualidades de aluminio y acero, integrando ambos en la estructura en aquellas piezas que mejor se adaptan al uso de cada material: Se fabricar´an en aluminio la base de la c´amara, las paredes, las trampillas de acceso y un collar´ın de fijaci´on de la tapa, que ir´a soldado a la parte superior de las paredes. Aunque la soldadura del aluminio es compleja, se considera que la ligereza del material respecto al acero hace que su uso generalizado en la estructura de la c´amara sea atractivo. El conjunto de piezas que se prev´e fabricar en aluminio supone unos 37 kg de masa de los 70 que pesar´a el conjunto de la c´amara de vac´ıo. Consultando la literatura disponible [3], el aluminio escogido para la soldadura ser´a del tipo 5000, que permite combinar una buena soldabilidad dentro del aluminio junto con una buena resistencia mec´anica. La ´unica pieza fabricada en acero ser´a la tapa. Dado que se trata del elemento cr´ıtico dentro del dise˜no de la c´amara, la rigidez del acero resulta apropiada para evitar la deformaci´on del alojamiento del espejo. Por otro lado, puede ser mecanizado con una cierta facilidad y, adem´as, soldado mediante los medios disponibles en los 21 2. Plan de Dise˜no 2.4 Validaci´on de la Soluci´on Figura 2.14: Arquitectura de base para la c´amara de vac´ıo. talleres de la ´ Ecole Centrale de Lille. La masa de esta pieza asciende a unos 33 kg de los 70 que pesar´ıa el conjunto global. Respecto del acero a emplear, se tomar´a una referencia comercial que permita satisfacer las necesidades de buena soldadura y resistencia adecuada. El acero ser´a del tipo SJ235. 2.4. Validaci´on de la Soluci´on La propuesta final de la arquitectura de la c´amara de vac´ıo fue presentada a los responsables del proyecto durante una reuni´on informativa. En ella se justific´o el cumplimiento, a nivel te´orico, del pliego de condiciones dado al comienzo del proyec- to, as´ı como las modificaciones y consideraciones a˜nadidas a lo largo del proceso de dise˜no. Bajo los ep´ıgrafes siguientes se recogen los resultados de la evaluaci´on de los aspectos cr´ıticos en el dise˜no de la c´amara. El resultado final se considera positivo, y la propuesta fue aprobada como arquitectura de base y punto de partida para un estudio m´as detallado de su fabricaci´on. 22 2. Plan de Dise˜no 2.4 Validaci´on de la Soluci´on 2.4.1. Estudio de la Resistencia Mec´anica El estudio de la resistencia mec´anica no ha requerido - en el caso de este proyecto - un estudio exhaustivo de la resistencia frente a esfuerzos, sino del comportamiento en desplazamientos y la influencia de ´estos sobre el estado global de la c´amara. 2.4.1.1. Evaluaci´on de la Abolladura El pandeo y la abolladura son comportamientos inscritos dentro de la familia de las Grandes Deformaciones, fuera del dominio de la elasticidad lineal. La abolladura de placas suele producirse cuando el espesor de la misma es muy delgado en relaci´on con las otras dos dimensiones, y se encuentra sometida a un esfuerzo axial en alguna de las direcciones del plano. En el anexo C se recoge una explicaci´on m´as detallada del fen´omeno. La estructura de la c´amara posee varios elementos susceptibles de sufrir este fen´omeno debido a su delgadez relativa. Es importante determinar si el comportamiento de dichos elementos ser´a lineal o no, de cara a efectuar un an´alisis correcto de la arquitectura de la c´amara. A partir de las formulaciones te´oricas del fen´omeno de abolladura, es posible determinar un ”umbral de abolladura” que d´e una noci´on del espesor m´ınimo a partir del cual se producir´ıa este comportamiento. No obstante, dicha formulaci´on es un planteamiento te´orico, sujeto a hip´otesis de homogeneidad en el material y que no tiene en cuenta los posibles defectos en la superficie del material. Dichas hip´otesis de perfecci´on no son posibles en la realidad; de hecho, la existencia de defectos en el material (internos o superficiales) puede desencadenar la abolladura de la placa mucho antes de haber alcanzado el nivel de carga cr´ıtico dado por la formulaci´on te´orica. Los elementos que podr´ıan sufrir este comportamiento son, principalmente, las paredes laterales de la c´amara y las trampillas de acceso encajadas en ellas. Cuando la c´amara se encuentra trabajando en vac´ıo, sus paredes laterales est´an sometidas a una presi´on homog´enea de magnitud casi igual a la atmosf´erica (101200 Pa, ya que el interior trabaja en el entorno de los 100 Pa). Esta presi´on inducir´a una flexi´on hacia el interior del recinto, a sumar a los efectos de la carga axial inducida por la tapa (que engloba su propio peso y la acci´on de la atm´osfera). La combinaci´on de estas dos cargas podr´ıa desencadenar, seg´un su magnitud, la abolladura de las paredes de la c´amara. La aplicaci´on de la formulaci´on te´orica (ver el anexo C) ha permitido considerar que el rango de trabajo de la c´amara est´a lejos de alcanzar valores que pudieran desencadenar fen´omenos de inestabilidad como la abolladura. Para las paredes de aluminio de 15 mm de espesor previstas en el dise˜no, el ”umbral de abolladura” est´a fijado en 5535 N/mm de canto. Suponiendo una tapa infinitamente r´ıgida que transmitiera toda la carga de la atm´osfera a las paredes, su contribuci´on ser´ıa de 12,16 N/mm de canto; a˜nadiendo la propia masa de la tapa (0,26 N/mm de canto), la carga global (12,42 N/mm de canto) se encuentra muy lejos del umbral hallado. As´ı, se considera que la arquitectura prevista puede absorber la reducci´on del ”umbral de abolladura” atribuible a la acci´on de la presi´on externa sobre la pared y a los defectos superficiales en el material. Por otro lado, ello permite aplicar, en un an´alisis por elementos finitos, las hip´otesis habituales de linealidad, sin necesidades de hacer uso de las consideraciones de Grandes Deformaciones. 23 2. Plan de Dise˜no 2.4 Validaci´on de la Soluci´on Figura 2.15: Desplazamientos en los elementos de base pared (izquierda) y tapa (derecha). 2.4.1.2. Evaluaci´on en Desplazamientos El estudio del comportamiento de los elementos de la c´amara bajo las suposiciones de carga en vac´ıo ha permitido concluir que la estabilidad de la estructura bajo desplazamientos quedar´ıa garantizada. El desplazamiento m´aximo en las paredes queda restringido a las esquinas de la abertura de acceso (0,5 mm), siendo la flexi´on general de las placas de 0,05 mm. Se ha simulado una pared lateral con su correspondiente trampilla insertada en la abertura, sometido el conjunto a una presi´on externa de 101300 Pa, presi´on interna de 100 Pa y una carga lineal en el canto igual a la carga prevista en el ep´ıgrafe anterior. La base y las esquinas se han considerado como empotradas para simular el efecto de la uni´on soldada con el resto de componentes del conjunto. Por su parte, la utilizaci´on de acero en la tapa permite obtener un bajo nivel de desplazamientos. El punto de mayor desplazamiento registra 0,014 mm, y la desviaci´on de la posici´on angular del espejo es de +0,0017 grados sexagesimales, lo que garantizar´ıa la precisi´on de las observaciones. La simulaci´on ha aplicado una presi´on homog´enea por el interior y el exterior de la pieza (100 Pa y 101300 Pa respectivamente), as´ı como un empotramiento en el contacto entre la tapa y el collar´ın sobre las paredes (simulando las condiciones de la uni´on por bulones entre tapa y paredes). 2.4.1.3. Evaluaci´on en Tensiones El comportamiento bajo tensiones de la c´amara es ampliamente satisfactorio: las paredes no est´an sometidas a una tensi´on de Von Mises mayor de 6 MPa, para un l´ımite 24 2. Plan de Dise˜no 2.4 Validaci´on de la Soluci´on Figura 2.16: Tensiones en los elementos de base pared (izquierda) y tapa (derecha). el´astico de 137 MPa en el caso del aluminio; en la tapa, las mayores tensiones de Von Mises registradas est´an en el entorno de los 9 MPa, siendo el l´ımite del acero de 260 MPa. Por lo tanto, se considera que la elecci´on de los materiales es satisfactoria y que cumple las necesidades especificadas en el pliego de condiciones. 2.4.1.4. Evaluaci´on de la Uni´on por Bulones El modo de trabajo de la uni´on por bulones entre tapa y paredes es, en este caso, muy favorable. Dado que la c´amara trabaja en vac´ıo, la aplicaci´on de una presi´on por parte de la atm´osfera a˜nade un efecto adicional de compresi´on sobre la junta de estanqueidad que incorpora la tapa. As´ı, la precarga de la uni´on mediante los tornillos permite garantizar el buen contacto entre de la tapa y la junta con el collar´ın de la uni´on, imprescindible para garantizar la estanqueidad al comenzar el proceso de vaciado de la c´amara. Conforme el vac´ıo se incremente, tambi´en lo har´a la presi´on atmosf´erica, actuando sobre la tapa de la c´amara. Estos esfuerzos adicionales podr´ıan ”sustituir” una peque˜na fracci´on del esfuerzo de compresi´on de los bulones, que se ”relajar´ıan” ligeramente, pero no se estima que ello pueda afectar a la calidad del vac´ıo. De acuerdo con las estimaciones dadas en el anexo B, se prev´en 50 bulones en la uni´on entre la tapa y el collar´ın de base, que deber´an aplicar un esfuerzo de 74000 N sobre el plano de junta para garantizar la estanqueidad de la uni´on. 2.4.2. Estudio del Comportamiento ´ Optico El comportamiento ´optico del recinto s´olo podr´a ser evaluado completamente una vez se haya construido la c´amara de vac´ıo. No obstante, a partir del dise˜no de base, es posible efectuar una aproximaci´on a este comportamiento y predecir en cierto modo la influencia de la arquitectura prevista en el comportamiento ´optico, as´ı como las posibles 25 2. Plan de Dise˜no 2.4 Validaci´on de la Soluci´on modificaciones para mejorarlo. La observaci´on de la probeta se hace mediante el enfoque de los sistemas de captaci´on sobre el espejo dicroico. No obstante, la imagen transmitida por ´este debe reflejar el estado real del experimento, sin interferencias. La radiaci´on captada por el espejo pasa previamente por la mirilla de 15 mm de di´ametro y 30 mm de profundidad, situada en la tapa de la c´amara. Esto permite trazar un conoide que determina el lugar geom´etrico de los puntos capaces de radiar directamente sobre el espejo y falsear las medidas t´ermicas. Este planteamiento se muestra de forma esquem´atica en la figura 2.17. En base a este planteamiento es posible considerar que la radiaci´on de un punto fuera de este cono no alcanzar´ıa el espejo sin ser previamente reflejada en alguna superficie. Por lo tanto, para garantizar una buena absorci´on de estas radiaciones y evitar su re-emisi´on, las paredes de la c´amara ser´an tratadas con una pintura de alta emisividad, tratando de aproximarse al comportamiento de un cuerpo negro. Para favorecer la adherencia de la pintura, se proceder´a a dotar a las paredes de una cierta rugosidad mediante un tratamiento con arena a presi´on. No obstante, el trabajo de la c´amara a baja presi´on (100 Pa) conlleva una serie de fen´omenos poco habituales que afectan a los revestimientos. De acuerdo con [4], [5] y [6], una disminuci´on fuerte de la presi´on interna supone alcanzar el rango de la presi´on parcial de los revestimientos en relaci´on a la atm´osfera. Este fen´omeno, que puede producir la evaporaci´on de part´ıculas met´alicas en los casos de vac´ıo ultra-fuerte (ver [5] y [7]), puede afectar a la calidad del vac´ıo. Si bien el objetivo del experimento no requiere de un vac´ıo muy pronunciado, s´ı que es posible que determinados componentes de la pintura interior sufran este fen´omeno de vaporizaci´on por efecto del vac´ıo. Ser´a necesario, pues, observar este aspecto y consultar al proveedor o al fabricante de la pintura la posibilidad de evaporaci´on de alguno de los componentes, as´ı como su posible potencial de degradaci´on de la pintura y toxicidad. La anodizaci´on del aluminio se consider´o una posible opci´on, ya que las superficies que reciben este tratamiento tienen un comportamiento pr´acticamente equivalente al del cuerpo negro. Este proceso consiste en la creaci´on, centro de un ba˜no galv´anico, de una capa de ´oxido de aluminio Al2O3. Por desgracia, este proceso deber´ıa aplicarse, bien con el conjunto ya soldado y montado, con el coste que ello supondr´ıa (a m´as piezas, mayor intensidad de corriente y mayor dificultad debido a la geometr´ıa de la estructura), o bien sobre las piezas individuales, antes de soldar, lo que dificultar´ıa el proceso (la capa superficial de al´umina Al2O3deber´ıa romperse en las zonas de soldadura, y las temperaturas que se alcanzar´ıan podr´ıan deteriorar otras partes del tratamiento). 2.4.3. Evaluaci´on de las Condiciones T´ecnicas Como ´ultimo paso de la propuesta de una soluci´on a las necesidades del Laboratorio de Mec´anica de Lille (LML), se desea hacer especial hincapi´e en el grado de cumplimiento de los requerimientos formulados en el pliego de condiciones, as´ı como de las condiciones aparecidas a lo largo del proceso de dise˜no y que han sido incorporadas a la soluci´on final. 26 2. Plan de Dise˜no 2.4 Validaci´on de la Soluci´on Figura 2.17: Estimaci´on de las zonas de radiaci´on dentro de la c´amara: en rojo, imagen radiada directamente; en azul celeste, cono de irradiaci´on directa sobre el espejo dicroico; en a˜nil, cono de irradiaci´on directa al espacio bajo el espejo dicroico; en azul marino, zonas de irradiaci´on directa imposible. Condiciones T´ecnicas: se considera que el dise˜no de la c´amara permite una estabilidad frente a solicitaciones mec´anicas derivadas de un uso normal, reduciendo la influencia del comportamiento mec´anico sobre la calidad de las im´agenes a captar. El comportamiento ´optico ha sido evaluado de forma cualitativa, consider´andose que las hip´otesis planteadas dan una idea aproximada del funcionamiento de la c´amara y de los pasos a seguir para garantizar la buena obtenci´on de im´agenes. Condiciones de utilizaci´on: el criterio de obtener una estructura ligera no ha podido ser respetado, puesto que la elecci´on de aluminio y acero para poder garantizar otros condicionantes ha supuesto un aumento importante de la masa. Es discutible si el empleo integral de acero y unos espesores menores habr´ıa reducido la masa final. Como se explica en el anexo D, la reducci´on de masa es escasa (unos 2,5 kg menos), y comportar´ıa problemas a la hora del montaje de puertas, etc., que van atornilladas en las placas laterales. No obstante, se ha conseguido mantener la premisa de flexibilidad, ya que el dise˜no permite adaptaciones futuras, y se mantiene tambi´en la estructura del experimento, m´as compacta que en el planteamiento de la Dra. Bodelot. 27 28 3. Plan de Fabricaci´on 3.3 Ensamblaje de la C´amara de Vac´ıo Figura 3.6: En rojo, cordones de soldadura para el montaje del alojamiento del espejo dicroico. 3.3. Ensamblaje de la C´amara de Vac´ıo El montaje final de la c´amara requiere de una operaci´on previa de preparaci´on de las superficies internas y del revestimiento de pintura de alta emisividad. En una primera fase, se tratar´an las superficies mediante la inyecci´on de arena a presi´on, para obtener una cierta rugosidad que favorezca la adherencia de la pintura. Una vez hecho esto, se aplicar´a de forma cuidadosa la pintura de alta emisividad. Este tratamiento superficial deber´ıa proporcionar un buen comportamiento ´optico de la c´amara, reduciendo la radiaci´on de fondo y evitando las reflexiones par´asitas sobre la probeta a ensayar. Una vez se ha realizado el revestimiento, s´olo resta equipar los componentes m´as peque˜nos y efectuar el ensamblaje del conjunto. Para ello, se montar´an sobre las trampillas de acceso y la tapa las juntas de estanqueidad; se instalar´an los sistemas de cierre y las bisagras, y se proceder´a al montaje de las trampillas en sus posiciones correspondientes. El ensamblaje de la c´amara termina con la uni´on de la tapa de acero al resto de la estructura de aluminio, y la instalaci´on del espejo dicroico y de la ventana de observaci´on de radiaci´on visible en sus respectivos alojamientos en la tapa. 3.4. Montaje de los Anexos La configuraci´on final del experimento requiere de una serie de anexos que permiten facilitar el posicionamiento y la manipulaci´on de la c´amara de vac´ıo, de los sistemas de observaci´on, as´ı como los sistemas de control y de puesta en vac´ıo de la c´amara. Bajo este ep´ıgrafe se detallan las disposiciones finales respecto a su ejecuci´on pr´actica y los materiales empleados. 35 3. Plan de Fabricaci´on 3.4 Montaje de los Anexos 3.4.1. P´ortico El dise˜no previsto inicialmente para el p´ortico se ha considerado como apropiado, ya que garantiza la compacidad del experimento. No obstante, dada la masa de la c´amara, la presencia del p´ortico hace dif´ıcil su colocaci´on. Es por ello que se ha previsto un sistema de desplazamiento que permita colocar la c´amara bajo el p´ortico, desplaz´andola desde una posici´on anexa, que sirva a la vez como zona de trabajo. Ello implicar´a unas peque˜nas modificaciones en la estructura original del p´ortico. Como estaba previsto, los pilares del p´ortico deber´an cambiarse por otros m´as largos que permitan la holgura necesaria para acoplar el sistema de captaci´on infrarroja. Las traviesas transversales junto con el par de tornillos de potencia que permiten el desplazamiento en el plano XY se guardar´an en el estado actual. No obstante, la necesidad de poder acceder libremente a los laterales de la c´amara e introducirla bajo el p´ortico requiere una modificaci´on de la estructura original: los pilares del p´ortico pasar´an a situarse en las esquinas de la base, y se reciclar´an dos de los antiguos pilares para crear dos traviesas-dintel adicionales que servir´an de apoyo al sistema de desplazamiento original, como se muestra en la figura 3.7. Figura 3.7: A la izquierda, p´ortico inicial (figura tomada del informe IMPACT de Romain Desbats). A la derecha, nuevo dise˜no de la estructura del p´ortico. 3.4.2. Ra´ıles de Guiado Uno de los resultados obtenidos a partir del dise˜no en 3D ha sido la estimaci´on del peso de la c´amara en vac´ıo, que se sit´ua en el entorno de los 70 kg. Dado que las leyes de seguridad e higiene en el trabajo en Francia proh´ıben que una persona manipule m´as de 36 3. Plan de Fabricaci´on 3.4 Montaje de los Anexos 30 - 35 kg por s´ı sola, y que la c´amara de vac´ıo se sit´ua bajo un p´ortico, el manejo de la misma es complicado. Para facilitar este trabajo, se han previsto dos adaptaciones: la primera es el aprovechamiento de los nervios de refuerzo de la tapa para usarlos como base de un posible sistema de izado o elevaci´on (sea con taladros pasantes para introducir barras o eslingas, sea atornillando unos ”ojos” con el mismo prop´osito). La segunda adaptaci´on es un sistema de ra´ıles de guiado empleando un producto estandardizado de la marca Bosch. Estos ra´ıles estar´ıan embutidos en la mesa/bancada, y sobre ellos se apoyan unos carros portadores a base de rodamientos. Estos carros poseen una cualidad interesante: admiten una regulaci´on de la altura sobre el carril, lo que permitir´ıa corregir las desviaciones en la posici´on angular de la c´amara bajo el p´ortico (´angulos de cabeceo y alabeo). Figura 3.8: A la izquierda, ra´ıl Bosch propuesto. A la derecha, ejemplar de pat´ın portador. 3.4.3. Sistemas de Control y Servicio La c´amara de vac´ıo estar´a acompa˜nada de una serie de sistemas de control anexos, que regular´an tanto el funcionamiento de la c´amara de vac´ıo como el ensayo en la microm´aquina. A excepci´on del acceso por el lateral izquierdo de la interfaz de la microm´aquina, todas las conexiones se efect´uan a trav´es del raccord colocado en la parte trasera de la c´amara. Se prev´e la colocaci´on de una toma de vac´ıo del tipo DN 25, que unir´a la c´amara al compresor de servicio. Se prev´e una segunda v´alvula de vac´ıo en el caso de que se disponga de un sistema con regulaci´on que monitorice permanentemente el nivel de vac´ıo 37 3. Plan de Fabricaci´on 3.4 Montaje de los Anexos dentro de la c´amara. Este sistema podr´ıa ser completado con una v´alvula de tres v´ıas en caso de prever la realizaci´on de ensayos bajo atm´osfera controlada de gas inerte (arg´on, nitr´ogeno...). En este ´ultimo caso, ser´ıa necesario verificar la estanqueidad de los sistemas de cierre para garantizar un buen funcionamiento durante los ensayos. Por ´ultimo, se instalar´a un man´ometro sobre la tapa, en la parte frontal, para obtener la lectura de la presi´on interior. En funci´on de las necesidades, se podr´ıan instalar otros man´ometros en las conexiones de la parte trasera en entradas de gas, salidas de vac´ıo, etc. Finalmente, se prev´e la entrada de una alimentaci´on el´ectrica para el sistema de iluminaci´on del experimento. Para facilitar el paso del cableado, se ha previsto el uso de conectores BNC (usados muy habitualmente en osciloscopios y otros instrumentos de laboratorio), insert´andolos en alojamientos dispuestos a tal efecto. Las holguras entre el conector y su emplazamiento se rellenar´ıan con una resina estructural. Este montaje ya ha sido empleado con ´exito en el tribometro existente en las instalaciones del Departamento de Mec´anica. 38 4. Estimaci´on Econ´omica Una vez finalizada la fase de dise˜no, y habiendo previsto de forma cualitativa el proceso de fabricaci´on de la c´amara, se consider´o oportuno obtener un primer presupuesto y evaluar los costes de fabricaci´on. Para ello, son dos los talleres a los que se plantean las necesidades del proyecto: el taller de mec´anica de la ´ Ecole Centrale de Lille y la compa˜n´ıa Dassonville (radicada en Wattrelos, ´area metropolitana de Lille), proveedor habitual de la ´ Ecole Centrale. Cada uno de los talleres consultados proporcion´o un presupuesto en base a las directrices generales del dise˜no, dando una estimaci´on del tiempo necesario para la fabricaci´on. El taller de mec´anica de la ´ Ecole Centrale de Lille cifra el coste de fabricaci´on de la c´amara entre 4000 y5000 Euros. Este coste no comprende materias primas ni las operaciones de soldadura en aluminio, a realizar externamente o por un profesor de la ´ Ecole Centrale de forma altruista, previa preparaci´on. El tiempo estimado para la ejecuci´on del encargo se estima en 4 semanas m´as los plazos de aprovisionamiento de materias primas. La compa˜n´ıa de fabricaciones mec´anicas Dassonville ha estimado un coste de fabricaci´on (soldaduras incluidas) de 7700 Euros. El tiempo de ejecuci´on se estima en 8 semanas m´as los plazos de aprovisionamiento de las materias primas. A los costes aportados por los dos talleres arriba mencionados hay que a˜nadir los costes de los dispositivos anexos para complementar el equipamiento del experimento. De acuerdo con los trabajos previos [2], estos costes de desglosan en los siguientes apartados. El conjunto de mesas microm´etricas de base para la m´aquina de ensayos se estima de unos 850 Euros. Para la instalaci´on y dispositivos de vac´ıo SIN regulaci´on se valora un coste de 3040 Euros. En el caso de contemplar un sistema de vac´ıo CON regulaci´on, el precio asciende a4260 Euros. Se estima que el coste de fabricaci´on de la c´amara de vac´ıo m´as todos los componentes para la realizaci´on del experimento se sit´uan en la horquilla entre 8400 Euros, para un dispositivo fabricado en la ´ Ecole Centrale de Lille y sin regulaci´on en el sistema de vac´ıo, y12800 Euros, para una c´amara construida por Dassonville e implantando un sistema de regulaci´on para la instalaci´on de puesta en vac´ıo. 39 40 5. Conclusiones Tras el desarrollo de las etapas de dise˜no, previsi´on de la fabricaci´on y de los ensayos sobre los componentes involucrados en el proyecto, se desea aportar, bajo este ep´ıgrafe, el estado actual de los trabajos y grado de cumplimiento de los objetivos iniciales, as´ı como unas breves consideraciones acerca del desarrollo del proyecto. 5.1. Acerca de la C´amara En este apartado se desea recoger, de forma sucinta, el estado actual en el dise˜no de la c´amara, as´ı como algunos detalles acerca del desarrollo del proyecto en lo que a ella se refiere. El proyecto ha culminado con un nuevo dise˜no de la c´amara. Partiendo de los trabajos previos, se ha realizado una revisi´on de los mismos, y se ha desarrollado una soluci´on que cumple, de forma mayoritaria, los aspectos b´asicos expresados en el pliego de condiciones. El dise˜no incorpora un estudio de la estructura de la c´amara, justificando tanto la arquitectura como los materiales utilizados en base a consideraciones t´ecnicas y c´alculos. As´ı mismo, se ha trabajado sobre la fase de fabricaci´on de la c´amara, previendo las operaciones necesarias para el ensamblaje, e intentando adelantar posibles problemas para acomodar el dise˜no a la fase de ejecuci´on pr´actica. Adem´as, se han podido obtener dos estimaciones de coste de fabricaci´on de la c´amara, para poder dar una idea del coste global del experimento. Todo este proceso ha estado acompa˜nado de una labor de informaci´on y puesta al d´ıa de los responsables del proyecto, que han recibido informaci´on actualizada cada dos semanas acerca de los avances en cada una de las ´areas. Sin embargo, se desea hacer hincapi´e en el hecho de que, si bien el dise˜no est´a terminado de forma ”cualitativa”, se prev´e un trabajo posterior de preparaci´on de planos, estimaci´on de tolerancias de fabricaci´on, etc., una vez que el proyecto pase de forma efectiva a la fase de fabricaci´on. Ello requerir´a nuevos contactos con el personal de taller, para adecuar los planos a sus necesidades. Este aspecto cobra m´as importancia a´un si la fabricaci´on se desarrolla en una empresa externa a la ´ Ecole Centrale de Lille y al Laboratorio de Mec´anica de Lille, en cuanto no es posible establecer un contacto permanente con sus talleres y operarios. 41 5. Conclusiones 5.2 Acerca del Experimento 5.2. Acerca del Experimento El desarrollo del experimento ha quedado bien precisado desde los trabajos precedentes, y con las consignas relativas a los ensayos y comprobaciones con las modificaciones aportadas a la arquitectura de la c´amara y de los anexos. No obstante, el apartado de los dispositivos a emplear queda abierto, por cuanto la m´aquina de ensayos no est´a, actualmente, en condiciones de desempe˜nar sus funciones de forma exacta. Los problemas encontrados en la puesta a punto no permiten prever, de forma inmediata, su utilizaci´on, hasta que se esclarezca la fuente de los fen´omenos de no linealidad y relajaci´on de esfuerzos. Corresponde a los responsables del proyecto, as´ı como al Laboratorio de Mec´anica de Lille, la decisi´on de continuar los ensayos y aprovechar el material existente, o bien desecharlo y adquirir una m´aquina de prestaciones similares, pero comercial. 5.3. Consideraciones Finales Se desea, finalmente, hacer un balance final acerca del proyecto. De acuerdo con el pliego de condiciones, se ha conseguido un dise˜no que se ajusta a la mayor´ıa de los requisitos. Adem´as, ´este dise˜no incorpora las mejoras y sugerencias surgidas a lo largo de las sesiones informativas con los responsables del proyecto, as´ı como del personal de taller en lo que se refiere a las adaptaciones de cara al ensamblaje del conjunto. Por otro lado, si bien el proyecto no renueva el concepto ya existente de c´amara de vac´ıo dentro de la tecnolog´ıa, s´ı que aporta una soluci´on ajustada a las necesidades del Laboratorio de Mec´anica de Lille, permitiendo una adaptaci´on posterior de la arquitectura e, incluso, la reutilizaci´on de ciertos componentes de cara a otros montajes o experimentos. 42 Bibliograf´ıa [1] L. BODELOT. ´ Etude coupl´ee des champs cin´ematiques et thermiques `a l’´echelle de la microstructure des mat´eriaux m´etalliques. 2008. [2] R. DESBATS. R´ealisation d’essais sous vide sur micromachine de traction avec des mesures optiques dans le visible et l’infrarouge. Technical report, ´ Ecole Centrale de Lille, 2012. [3] M. COLOMBI´ E et coll. Mat´eriaux Industriels - Mat´eriaux M´etalliques. Ed. DUNOD, 2000. [4] J. LECLERC. Techniques du Vide: Introduction. Ed. Techniques Ing´enieur, 1997. [5] J. LECLERC. Nature et Qualit´e du Vide. Ed. Techniques Ing´enieur, 1997. [6] J. LECLERC. Vide et Environnement. Ed. Techniques Ing´enieur, 1983. [7] L. MAURICE. Pompes `a Vide. Ed. Techniques Ing´enieur, 1983. [8] G. DROUIN et all. ´ El´ements de Machines. Ed. ´ Ecole Polytechnique de Montr´eal, 1986. [9] M. AUBLIN et all. Systh`emes M´ecaniques. Ed. DUNOD, 2004. 43 BIBLIOGRAF´ IA BIBLIOGRAF´ IA 44 B. C´alculo de la Uni´on por Bulones B.2 C´alculo de la Uni´on Figura B.1: Simulaci´on de una junta t´orica en un alojamiento infinitamente r´ıgido. Los valores de tensi´on en las zonas de contacto se encuentran entre los 5 y los 13 MPa. Por mor de una aproximaci´on m´as realista, se realiz´o un an´alisis en el que los alojamientos de la junta simulaban los materiales reales: aluminio y acero. El objetivo era recoger un comportamiento veraz en la interfaz, con materiales cuya rigidez no es infinita. La mec´anica del an´alisis fue la misma: inducir un desplazamiento de la tapa, con el objetivo de que ambas partes de la uni´on queden en contacto. Como se observa en la figura B.2, los valores de presi´on obtenidos en el contacto entre la junta y las piezas se sit´uan en el orden de los 3 a 5 MPa. M´as elevados que el valor te´orico de 1,4 MPa, pero se consideran interesantes de cara a la realizaci´on de un c´alculo de esfuerzos conservador. B.2.1.2. Esfuerzos a aplicar Si se toma una superficie de contacto hipot´etica entre la junta y las piezas de la uni´on, es posible encontrar un valor de esfuerzo aplicado hipot´eticamente sobre aquella. La transferencia de este esfuerzo a las piezas que forman la uni´on muestra, claramente, que la hip´otesis de rigidez infinita no es verdadera. Dado que tapa y collar´ın son el´asticos, absorber´an una parte de los esfuerzos aplicados para el apriete de la uni´on. Por otro lado, el comportamiento no hiperel´astico del modelo a˜nade una rigidez suplementaria al problema, aumentando los esfuerzos necesarios para obtener un cierre de la uni´on. En suma, se considera que el an´alisis de elementos finitos permite una primera aproximaci´on a las presiones de contacto requeridas, pero el tiempo requerido para obtener un an´alisis exacto de la junta desaconseja el continuar esta v´ıa de an´alisis. No obstante, los valores de presi´on en la interfaz servir´an de punto de partida en la aproximaci´on anal´ıtica del c´alculo de la uni´on. 51 B. C´alculo de la Uni´on por Bulones B.2 C´alculo de la Uni´on Figura B.2: Simulaci´on de una junta t´orica entre dos piezas de acero (el alojamiento de la tapa) y de aluminio (el collar´ın de base). B.2.2. C´alculo Te´orico El c´alculo te´orico de la uni´on sigue el proceso cl´asico que se sugiere en la literatura t´ecnica (ver [8] [9]). La uni´on est´a caracterizada por la rigidez de sus elementos constituyentes (collarines, junta y bulones). Los esfuerzos sobre el sistema se muestra en la figura B.3: se observan dos presiones, interna y externa, y los esfuerzos sobre bulones y juntas, m´as un posible esfuerzo de contacto (si ´este se produce). Tomando el caso en el que la presi´on interna es menor que la externa, el balance de fuerzas se define de la siguiente forma. ΣFbulones =Fcontacto +Fjunta En una primera instancia, el apriete va aplastando la junta, pero no se produce el contacto entre las superficies met´alicas. Trasladando ´este dato al balance, y suponiendo que se ejerce una presi´on homog´enea sobre la junta de 5 MPa (caso extremo observado anteriormente en las simulaciones), se puede calcular el esfuerzo a aplicar sobre los bulones. Se considera una superficie de contacto de 2,5 mm de ancho, con un eje medio en forma de rect´angulo de bordes redondeados, de segmentos rectos de 360 mm y 400 mm y radio de esquinas 7,5 mm. ΣFbulones =Fjunta ΣFbulones = 2,5MPa ·[2,5mm ·(360mm ·2 + 400mm ·2 + 2 ·π·7,5mm)] ΣFbulones = 24589N Suponiendo que dicho esfuerzo permite la compresi´on de la junta hasta el contacto metal-metal entre la tapa y el collar´ın, cualquier esfuerzo adicional aplicado sobre la uni´on ser´a soportado por el contacto entre las dos piezas, mientras que la junta garantizar´a la 52 B. C´alculo de la Uni´on por Bulones B.2 C´alculo de la Uni´on Figura B.3: Esfuerzos sobre una uni´on mediante bulones en funci´on de las presiones interna y externa: a la izquierda, presi´on interna mayor que en el exterior; a la derecha, el caso inverso, que ocupa el presente desarrollo. estanqueidad del montaje. El esfuerzo aplicado por la atm´osfera contribuir´a al trabajo sobre la uni´on, pero comporta una ligera relajaci´on de los bulones. Como no se desea que los bulones sufran una relajaci´on excesiva, se decide a˜nadir un esfuerzo adicional que garantice una presi´on de contacto entre las piezas met´alicas de 1 MPa. Tomando un collar´ın de dimensiones externas de 460 x 420 mm, e internas de 400 x 360 mm, se dedujo el siguiente esfuerzo. Fcontacto = 1MPa ·(460mm ·420mm −400mm ·360mm) Fcontacto = 49200N Por lo tanto, la suma de ambas magnitudes, esfuerzo sobre la junta y esfuerzo de contacto, ser´ıa posible garantizar, te´oricamente, el contacto entre ambas placas durante el trabajo bajo vac´ıo de la c´amara. Sumando ambos esfuerzos, se determina un esfuerzo inicial a aplicar sobre la uni´on. Funion =Fjunta +Fcontactounion = 73789 N ∼74000 N Por otro lado, una vez conocido el esfuerzo necesario para llevar a cabo la uni´on, es necesario estimar el n´umero de bulones a emplear. Para ello, se tienen en cuenta varios aspectos derivados de la geometr´ıa de la uni´on, as´ı como de la mec´anica de la misma. La anchura disponible para la ejecuci´on de los alojamientos de los bulones es de 15 mm (voladizo del collar´ın). Adem´as, la superficie equivalente a la que un bul´on transfiere su acci´on tiene como di´ametro tres veces el de aquel. Ello permite fijar 53 B. C´alculo de la Uni´on por Bulones B.2 C´alculo de la Uni´on un di´ametro m´aximo en el entorno de los 6 mm. Adem´as, para evitar el encabalgamiento de las zonas de acci´on de cada bul´on, tres veces el di´ametro ser´a la distancia entre ejes de cada bul´on con los adyacentes. Tomando una longitud patr´on sobre la que se reparten los bulones siguiendo este criterio, se obtiene el n´umero m´aximo a colocar. L=nbulonesbulon + (nbulones −1)bulon + 2bulon L=Dbulon ·(4 ·nbulones −1) Tomando unos lados de 460 mm y 420 mm, y sabiendo que los bulones de las esquinas se comparten entre dos lados concurrentes, se puede obtener un n´umero de bulones m´aximo. nbulones = ( 460 Dbulon −1) ·1 2+ ( 420 Dbulon −1) ·1 2−4 nbulones = 68 bulones Para el m´aximo n´umero de bulones admisible, se puede evaluar la carga m´axima que soportar´ıan todos ellos, verificando que se encuentra dentro de la norma. Fbul´on =Fbulones nbulones =74000 68 = 1088,2 N σbulon =Fbulon Sbulon =4bulon π·62= 38,5 MPa Se observa que la carga por bul´on est´a lejos de la carga cr´ıtica de un acero est´andar (260 MPa). Por lo tanto, cabe la posibilidad de reducir ligeramente el n´umero de bulones, o su di´ametro, si se considerara oportuno. Finalmente, durante la fase de estudio de la fabricaci´on, se ha decidido reducir su n´umero a 50. Ello permite un ahorro en costes y tiempos, y no supone una p´erdida en las prestaciones de estanqueidad. As´ı mismo, se sigue garantizando el buen comportamiento del material, que se cargar´ıa con 52,34 MPa. 54 Anexo C. Evaluaci´on a Abolladura de las paredes El dise˜no de la c´amara de vac´ıo a sido realizado tomando en consideraci´on que su comportamiento se inscribe dentro de los supuestos de la mec´anica lineal, ya que los esfuerzos a que est´a sometida no alcanzan un orden de magnitud que pudiera resultar preocupante. No obstante, la geometr´ıa de la c´amara tiene ciertos aspectos que merecen ser analizados para confirmar la correcci´on de las suposiciones. Ello permite, adem´as, fijar una serie de l´ıneas rojas a partir de las cuales no es posible cumplir con el pliego de condiciones inicial. C.1. Introducci´on La abolladura es un fen´omeno de inestabilidad el´astica que puede ser modelizado mediante las ecuaciones de los modelos de grandes deformaciones, como ocurre con el pandeo en las vigas. Este fen´omeno se produce cuando una placa es sometida a una solicitaci´on axial, es decir, cuando los esfuerzos se aplican en paralelo a los ejes del plano. No obstante, si los esfuerzos aplicados no sobrepasan un cierto l´ımite, no supone el deterioro irreversible de la placa. El esfuerzo umbral de abolladura para una placa de dimensiones principales ”a” (anchura), ”b” (altura) y ”t” (espesor), viene dado por la siguiente expresi´on. Ncritico =km·π2 b2 Ncritico =km·π2·E·t 12·(1−ν2)·(t b)2 En ella, ”E” es el m´odulo de Young, ”ν” el coeficiente de Poisson, y ”km” es el coeficiente asociado a los modos propios de abolladura para ”m” semiondas. Este coeficiente est´a dado por la siguiente expresi´on. km= (b a+a b)≥4 Dicho valor de Ncr´ıtico es siempre mayor o igual que un umbral, que viene determinado por la siguiente expresi´on. 55 C. Evaluaci´on a Abolladura de las paredes C.2 C´alculo de la C´amara Ncritico ≥π2·E·t 3·(1−ν2)·(t b)2 C.2. C´alculo de la C´amara Aplicando el desarrollo anterior a las dimensiones dadas a los componentes del dise˜no es posible saber si este fen´omeno puede producirse o no. Las placas analizadas son la frontal y la placa de lateral. Cada una de ellas ha sido analizada seg´un su geometr´ıa y el material de que est´an fabricadas. La tabla de la figura C.1 muestra los esfuerzos cr´ıticos que desencadenar´ıan la abolladura de la placa para el primer modo (una semi-onda), con el espesor de 15 mm fijado en el dise˜no y los tres materiales ensayados: PMMA, aluminio y acero. Figura C.1: Esfuerzos cr´ıticos para desencadenar el fen´omeno de abolladura sobre una placa de 15 mm de espesor. A la vista de los resultados, se considera que el dise˜no propuesto permite garantizar que no se producir´a un fen´omeno de abolladura. No obstante, hay que recordar que este planteamiento no deja de ser una hip´otesis te´orica, que supone una superficie ideal en las placas, y que el material constituyente es perfectamente homog´eneo. De hecho, la presencia de defectos en la superficie de las placas es una de las causas por las que se puede producir el fen´omeno de abolladura, ya que el material queda debilitado. Es por ello que los valores de carga cr´ıtica han de ser tratados de forma cuidadosa, y se ha de guardar el mayor margen de seguridad posible respecto a ellos. Adem´as del esfuerzo axial cr´ıtico, tambi´en es posible determinar un espesor m´ınimo a partir del cual cabr´ıa esperar este comportamiento, tomando el esfuerzo al que se ver´an 56 C. Evaluaci´on a Abolladura de las paredes C.2 C´alculo de la C´amara sometidas las paredes. As´ı, se ha obtenido una tabla (ver figura C.2) con los espesores m´ınimos que podr´ıan alcanzarse (en teor´ıa), para los tres materiales contemplados en la fase de dise˜no. Figura C.2: Espesores cr´ıticos para desencadenar el fen´omeno de abolladura sobre una placa, para las cargas previstas en el dise˜no de la c´amara de vac´ıo. 57 C. Evaluaci´on a Abolladura de las paredes C.2 C´alculo de la C´amara 58 Anexo D. Estudio de reducci´on de peso A lo largo del proceso de dise˜no, surge la idea de reducir la masa de la c´amara de vac´ıo, vali´endose de la mayor resistencia del acero (3 veces superior al aluminio). Ello podr´ıa permitir, mediante una disminuci´on del espesor inicial (15 mm) de las chapas a un tercio (5 mm), obtener una masa menor. Para ello, se han tabulado las piezas b´asicas, junto con sus dimensiones principales, encontrando el volumen de las piezas. Multiplicando por la densidad de cada material, se obtiene una estimaci´on de la masa para cada uno de los supuestos (ver la figura D.1 y la figura D.2). El resultado final no difiere en gran medida entre ambos casos. Con una mejora de 2 kg al cambiar al acero. Esta escasa mejora comporta una serie de dificultades derivadas del uso de acero: mayores tiempos de mecanizado por su mayor dureza, y un espesor muy peque˜no, que plantear´ıa dificultades para efectuar los roscados en los anclajes a las planchas o los alojamientos de las juntas de estanqueidad. 59 D. Estudio de reducci´on de peso Figura D.1: Pesos estimados para las piezas b´asicas de la c´amara de vac´ıo, con una elecci´on de materiales en aluminio y acero. Figura D.2: Pesos estimados para las piezas b´asicas de la c´amara de vac´ıo, con una elecci´on de materiales totalmente en acero. 60 E. Ensayos y Puesta a Punto E.1 Puesta a punto de la Microm´aquina Para comprobar la veracidad de este comportamiento, se decidi´o comparar los valores de deformaci´on en la galga (tensi´on en el puente de Wheatstone) con los esfuerzos dados por el instrumental conectado a la probeta. Desgraciadamente, este ensayo no permiti´o corregir el problema o esclarecer sus causas: el fen´omeno de hist´eresis se reprodujo, confirmando la no linearidad. Teniendo en cuenta que el m´etodo de c´alculo del sistema electr´onico es la comparaci´on de los valores de tensi´on el´ectrica del puente de galgas con su recta interna, se decide observar el comportamiento de dicha tensi´on a lo largo de un ensayo de tracci´on siguiendo una curva de carga y descarga. Se decide efectuar una comparaci´on entre la deformaci´on a que se somete a la galga, y los valores de desplazamiento de las traviesas (dado por el sensor LVDT, que se considera bien calibrado). Figura E.6: Representaci´on de la evoluci´on de las tensiones sobre el sensor LVDT y la galga extensiom´etrica, para un ciclo de carga y descarga. El sentido del ciclo es, partiendo de la recta inferior, ascender en sentido de X negativo hasta el m´aximo, descendiendo por la recta superior. Se realiz´o un ensayo de carga-descarga de la probeta, mostr´andose que cada uno de los grupos de valores sigue, por separado, un comportamiento lineal. No obstante, al aumentar la resoluci´on, se observa una ligera desviaci´on en el entorno de unas pocas fracciones de milivoltio (ver la figura E.6). No se encontr´o una raz´on estricta que permita saber el por qu´e de este comportamiento, habida cuenta de que se presupone un comportamiento lineal, ya que el rango de trabajo no deber´ıa desencadenar fen´omenos de plastificaci´on, fatiga o relajaci´on de tensiones sobre la probeta. No obstante, se sabe que el c´alculo a trav´es de la recta experimental sigue la siguiente f´ormula. F(N) = K·U(V) 67 E. Ensayos y Puesta a Punto E.1 Puesta a punto de la Microm´aquina Dado que el valor de la tensi´on est´a en el rango de los milivoltios (mV), con ligeras diferencias en el orden de los microvoltios (µV ), y que la respuesta del sistema est´a en el orden de los miles de newtons, es posible que la constante de conversi´on sea de un gran orden de magnitud, y que el producto de la misma oscile de forma notable frente a peque˜nas variaciones. Problema de Relajaci´on de Esfuerzos: como se ha avanzado, los ensayos de puesta a punto de la galga permitieron encontrar otro comportamiento inesperado. Al someter la probeta con sensores a un esfuerzo constante, se observa una relajaci´on del esfuerzo de 30-50 N por debajo del valor objetivo. Esta relajaci´on se observa sobre la probeta, pero no sobre las traviesas, que no se desplazan, ni sobre la galga, que no observa cambios en la deformaci´on de la traviesa. Se considera que la fuente de este comportamiento puede ser la propia probeta, el sistema de mordazas, o el anclaje de las mismas mediante rodamientos axiales. Para comprobar el comportamiento de la probeta, se someti´o a ensayo sobre una m´aquina de tracci´on de 400 kN que posee su propia c´elula de carga e instrumental de control. Sin sobrepasar el l´ımite de esfuerzo sobre la probeta (7 kN), se efectu´o una carga constante en tracci´on, que se mantuvo durante medio d´ıa. El resultado del ensayo permiti´o constatar el fen´omeno de relajaci´on en ambas m´aquinas: el software de la m´aquina de 400 kN mostr´o una relajaci´on de 400-500 N a lo largo del d´ıa, que se correspond´ıa con el dato de esfuerzo dado por la probeta. Sin embargo, la traviesa de la m´aquina no hab´ıa sufrido desplazamiento alguno. La causa de esta relajaci´on ha quedado como un aspecto a resolver. El proceso de ensayos estuvo acompa˜nado de m´ultiples consultas a otros profesores e investigadores de la ´ Ecole Centrale de Lille, que aportaron algunas ideas que deber´an ser estudiadas en desarrollos posteriores. •Hip´otesis de los Sensores: los sensores de la probeta suelen estar adheridos a ella con una resina de alta resistencia. No obstante, podr´ıa producirse una fluencia a nivel local, y que ello repercutiera sobre la medida dada por el instrumental. •Hip´otesis Mec´anicas: se sugieren una rigidez de las mordazas inferior a la estimada en el dise˜no, o un cierto juego en los sistemas de accionamiento, que se recuperar´ıa durante la aplicaci´on de un esfuerzo constante. E.1.5. Estado Actual Debido a los problemas descritos, el proceso de calibrado de la microm´aquina fue suspendido, a la espera de una comprensi´on m´as exacta de los fen´omenos detectados y su incidencia sobre la mec´anica de los ensayos. En caso de considerarse obsoleta, o su puesta a punto demasiado onerosa, el Laboratorio de Mec´anica de Lille deber´a decidir si es necesario disponer de un nuevo instrumental. 68 E. Ensayos y Puesta a Punto E.2 Calibrado del Montaje E.2. Calibrado del Montaje Una vez realizada la puesta a punto de los componentes, se prev´e efectuar una serie de ensayos y de ajustes para asegurar la correcta disposici´on de todos los elementos de cara al experimento. Ello comporta la puesta en vac´ıo de la c´amara, la observaci´on del nivel de presi´on obtenido y de su duraci´on. As´ı mismo, ser´a necesario determinar la correcta alineaci´on de los componentes del ensayo y de los sistemas de observaci´on, para poder dise˜nar una metodolog´ıa de montaje del experimento que permita reducir los errores derivados de la preparaci´on. E.2.1. Evaluaci´on del Vac´ıo La calidad del vac´ıo proporcionado por la c´amara se evaluar´a en tres aspectos considerados de inter´es. En primer lugar, se comprobar´a el nivel de vac´ıo que se puede proporcionar con el sistema previsto, efectu´andose el vaciado de la c´amara y tomando lecturas en el man´ometro dispuesto a tal efecto en la c´amara. Por otro lado, se ensayar´a la puesta en vac´ıo y el retorno a presi´on atmosf´erica de la c´amara con el fin de observar el comportamiento de los sistemas de trampillas y juntas, y poder evaluar su respuesta a varios ciclos de funcionamiento. Finalmente, se observar´a con atenci´on la capacidad de la c´amara para mantener el vac´ıo en su interior, revisando las posibles fugas que pudieran producirse, as´ı como el tiempo de mantenimiento del vac´ıo dentro de un rango aceptable. E.2.2. Calibrado ´ Optico El calibrado ´optico de la c´amara es complejo y requiere de una serie de operaciones de colocaci´on de los distintos elementos: c´amara de vac´ıo, p´ortico, sistemas de observaci´on. Estas operaciones est´an seguidas, a continuaci´on, por la colocaci´on de los sistemas de observaci´on, su calibrado y la puesta a punto mediante una probeta testigo. La colocaci´on de la c´amara de vac´ıo bajo el p´ortico est´a asegurada mediante el uso del sistema de ra´ıles previsto por el dise˜no. Una vez colocada bajo el p´ortico, es necesario garantizar el mayor grado de paralelismo posible entre la tapa (y los dioptrios de transmisi´on de imagen) y el dintel del p´ortico, del que colgar´a el sistema de medici´on infrarroja. Para ello, se deber´a tomar una medida del nivel del dintel y replicarla en la c´amara, empleando para ello los reguladores de altura de los cuatro apoyos, que permitir´an una ligera adaptabilidad en cabeceo y alabeo. Una vez asegurado el posicionamiento de la c´amara, se proceder´a a montar en su interior la base de mesas microm´etricas, as´ı como la microm´aquina, con el objetivo de colocarla en la posici´on del ensayo. En esta posici´on, la microm´aquina llevar´a montada una probeta testigo con marcadores que permitan observar, mediante las c´amaras visible e infrarroja, el correcto posicionamiento del ´area de observaci´on. Una vez ajustada la posici´on de cada una de las c´amaras, se proceder´a al calibrado de la c´amara infrarroja. Para ello, se sustituir´a la microm´aquina por un cuerpo negro de referencia, y se cerrar´a la c´amara. Dicho cuerpo negro permitir´a establecer una referencia para la radiaci´on de 69 E. Ensayos y Puesta a Punto E.2 Calibrado del Montaje fondo. Una vez efectuado este proceso, se podr´a pasar a efectuar el ensayo, montando la microm´aquina en su emplazamiento y colocando entre las mordazas la probeta a ensayar. 70 Proyecto Fin de Carrera Ingenier´ıa Industrial Dise˜no de M´aquinas y Veh´ıculos Dise˜no de una C´amara de Vac´ıo para medidas acopladas de Campos T´ermicos y de Desplazamientos Tomo 2/2 Andr´es Malo Estepa Junio 2013 Director: Eric Charkaluk Ponente: Jes´us Cuartero Salafranca Departamento de Ingenier´ıa Mec´anica Escuela de Ingenier´ıa y Arquitectura Universidad de Zaragoza Conception d’une Enceinte sous Vide Mesure couplée des champs cinématiques et thermiques Rapport de Stage de 3 ème Année École Centrale de Lille Année Universitaire 2011 – 2012 Andrés Malo Estepa 1 Remerciements Ce rapport est le résultat du stage effectué de Mai à Septembre 2012 au sein du Département de Mécanique de l’École Centrale de Lille. Je veux remercier tout d’abord Eric Charkaluk, qui m’a offert ce sujet de stage et qui, avec son encadrement, m’a encouragé à développer le travail en me laissant une très grande liberté pour la conception et la réflexion sur le projet, ce qui a fortement enrichi ma formation comme ingénieur. Je voudrais aussi remercier Christophe Niclaeys et François Lessafre, parce que c’est grâce à eux que j’ai pu vivre l’expérience « de la recherche » avec le réglage de la micromachine et tous les petits soucis qui sont apparus au long des essais, et par leur entière disponibilité pour toutes discussions concernant la conception de l’enceinte et certains points où leurs avis m’ont aidé à trouver des solutions beaucoup plus intéressantes que ce que j’imaginais en principe. Je remercie Jean-François Witz par son encadrement, ses conseils et ses commentaires éclairants sur l’optique de l’enceinte et de l’expérience à mettre en œuvre en général ; à Laurent Patrouix par sa disponibilité pour discuter sur la fabrication et répondre à des petits doutes ; et à Denis Le Picart pour son aide avec les aspects optiques et CATIA. Je veux adresser mes remerciements à l’atelier de l’École Centrale de Lille, et à Alain Deparcy, toujours disponible pour discuter la faisabilité de mes idées et pour m’aider à donner une résolution réelle à certaines approches et solutions de la conception. Finalement, je tiens à remercier à tous ceux qui m’ont accompagné au long de cette expérience : ma famille lilloise avec Albert, Anna, Laia, Belén, les Pablos... et à ma famille espagnole, loin mais proche, qui ont suivi mes avancements avec « la boîte » par Skype chaque semaine. 2 0. Sommaire 1.1. Cadre de Réalisation du Stage ............................................................................ 5 1.1.1. L’École Centrale de Lille .................................................................................................. 5 1.1.2. Le Laboratoire de Mécanique de Lille ............................................................................. 5 1.2. Objectifs ............................................................................................................ 6 2.1. Travaux Précédents ........................................................................................... 7 2.1.1. Travaux de Laurence Bodelot .......................................................................................... 7 2.1.2. Travaux de Romain Desbats ............................................................................................ 8 2.2. Cahiers des Charges ........................................................................................... 9 2.2.1. Contraintes Physiques ..................................................................................................... 9 2.2.2. Contraintes d’Utilisation/Adaptation .............................................................................. 9 3.1. Analyse de l’Existant ........................................................................................ 11 3.1.1. Matériaux disponibles ................................................................................................... 11 3.1.1.1. Portique/Enceinte .................................................................................................. 11 3.1.1.2. Micromachine ........................................................................................................ 12 3.1.2. Conception antérieure .................................................................................................. 13 3.1.2.1. Géométrie générale ............................................................................................... 13 3.1.2.2. Montage/Assemblage ............................................................................................ 14 3.1.2.3. Choix techniques/Matériaux .................................................................................. 14 3.2. Réflexion sur l’Existant ..................................................................................... 15 3.2.1. Matériaux disponibles ................................................................................................... 15 3.2.2. Géométrie ..................................................................................................................... 15 3.2.2.1. Géométrie Générale ............................................................................................... 15 3.2.2.2. Géométrie du Couvercle ........................................................................................ 15 3.2.3. Choix Techniques .......................................................................................................... 16 3.3. Proposition de Solutions .................................................................................. 17 3.3.1. Solutions Géométriques ................................................................................................ 17 3.3.1.1. Solution dite « Modulaire ».................................................................................... 17 3.3.1.2. Solution dite « Intégrale » ...................................................................................... 17 3.3.2. Solutions en Matériaux ................................................................................................. 18 3.3.2.1. Solution en PMMA ................................................................................................. 18 3 3.3.2.2. Solution en Aluminium ........................................................................................... 20 3.3.2.3. Solution en Acier .................................................................................................... 20 3.3.3. Choix d’une Solution ..................................................................................................... 21 3.3.3.1. Géométrie .............................................................................................................. 21 3.3.3.2. Matériaux ............................................................................................................... 23 3.3.3.3. Solution Finale ........................................................................................................ 24 3.4. Validation de la Solution .................................................................................. 25 3.4.1. Résistance Mécanique .................................................................................................. 25 3.4.1.1. Vérification face au Voilement ............................................................................... 25 3.4.1.2. Vérification des Déformations ............................................................................... 26 3.4.1.3. Vérification des Contraintes ................................................................................... 26 3.4.1.4. Vérification de l’Assemblage Boulonné ................................................................. 27 3.4.2. Comportement Optique ................................................................................................ 27 3.4.3. Choix Techniques .......................................................................................................... 29 4.1. Mise en Œuvre................................................................................................. 30 4.1.1. Découpe des parties ...................................................................................................... 30 4.1.1.1. Éléments de Base ................................................................................................... 30 4.1.1.2. Opérations d’Usinage ............................................................................................. 31 4.1.2. Opérations de Soudage ................................................................................................. 34 4.1.2.1. Soudage des Composants en Aluminium ............................................................... 34 4.1.2.2. Soudage des Composants en Acier ........................................................................ 35 4.1.3. Assemblage ................................................................................................................... 35 4.2. Mise en Œuvre des Annexes ............................................................................ 36 4.2.1. Portique ......................................................................................................................... 36 4.2.2. Rails de Guidage ............................................................................................................ 36 4.2.3. Asservissements ............................................................................................................ 37 4.3. Assemblage Totale ........................................................................................... 38 4.4. Requête de Devis ............................................................................................. 38 5.1. Mise à Point de la Micromachine ..................................................................... 39 5.1.1. Introduction .................................................................................................................. 39 5.1.2. Fonctionnement à Vide ................................................................................................. 39 5.1.3. Réglage du capteur de Position LVDT ........................................................................... 40 5.1.4. Réglage des Capteurs d’Efforts ..................................................................................... 41 4 5.1.4.1. Le système de Mesure ........................................................................................... 41 5.1.4.2. Problème de Non-Linéarité .................................................................................... 42 5.1.4.3. Problème de Relâchement ..................................................................................... 42 5.1.5. État Actuel ..................................................................................................................... 43 5.2. Tests de l’Enceinte ........................................................................................... 43 5.2.1. Tests des Asservissements ............................................................................................ 43 5.2.2. Tests du Vide ................................................................................................................. 44 5.2.3. Tests de l’Optique ......................................................................................................... 44 6.1. État de l’Art à l’heure actuelle .......................................................................... 45 6.2. Bilan du Rôle de l’Ingénieur ............................................................................. 45 A.1. Calcul des Écarts Angulaires ............................................................................. 46 A.1.1. Principe Géométrique ................................................................................................... 46 A.1.2. Calculs ........................................................................................................................... 47 A.1.2.1. Géométrie Première .............................................................................................. 48 A.1.2.2. Géométrie Modifiée............................................................................................... 48 A.2. Calcul de l’Assemblage Boulonné ..................................................................... 49 A.2.1. Introduction .................................................................................................................. 49 A.2.2. Base Technique ............................................................................................................. 49 A.2.3. Calcul de l’Assemblage .................................................................................................. 50 A.2.3.1. Approche Éléments Finis ........................................................................................ 50 A.2.3.2. Calcul Théorique .................................................................................................... 51 A.3. Vérification du Voilement ................................................................................ 54 A.4. Évaluation des gains en masse selon le matériau. ............................................ 56 A.4.1. Masse de l’enceinte en Aluminium et Acier ................................................................. 56 A.4.2. Masse de l’enceinte en Acier ........................................................................................ 57 A.5. Essais de réglage de la Micromachine .............................................................. 58 B.1. Bibliographie ................................................................................................... 60 B.1.1. Bases Théoriques de l’Expérience ................................................................................. 60 B.1.2. Technique du Vide ........................................................................................................ 60 B.1.3. Technique des Assemblages ......................................................................................... 60 B.1.4. Technique des Soudures ............................................................................................... 60 B.2. Indice des Images ............................................................................................ 61 11 3. Démarche de Conception 3.1. Analyse de l’Existant L’ensemble des travaux réalisés avant le projet actuel ont généré une série d’objets, instruments et connaissances à intégrer dans la nouvelle démarche de conception. Cette intégration devra profiter des fonctionnalités existantes et renouveler ou actualiser, si besoin, les éléments dont les performances ne sont plus à jour. 3.1.1. Matériaux disponibles Dans cette épigraphe on veut faire référence aux éléments physiques issus des travaux antérieurs et qu’on pourra adapter aux nouveaux besoins du projet. 3.1.1.1. Portique/Enceinte Le LML dispose d’une table avec un portique fabriqué avec des profilés standard de la marque Bosch. Largement flexibles, ces profilés permettent une adaptation rapide et aisée de la structure aux besoins de l’expérience. La structure possède un cadre de base rectangulaire, de mesures 60 x 50 cm, où on vient placer quatre poteaux de 81 cm d’hauteur à l’aide d’équerres vissées aux profilés. Les poteaux sont reliés deux à deux par deux traverses de longueur 60 cm, qui servent de base pour un système de positionnement fait par deux tables à vis, permettant le balayage sur le plan XY (plan parallèle à la base). Figure 3 – De gauche à droite, de haut en bas : portique actuel, détail du dispositif de balayage, traverses du portique à garder. 12 L’enceinte est une structure à fabriquer entièrement. Les seuls éléments à intégrer dans l’enceinte et qui sont déjà fabriqués sont le miroir dichroïque et le bouchon de câblage que permettra l’entrée des asservissements pour la micromachine à l’intérieur de l’enceinte. Ce dernier a déjà été utilisé pour des observations dans le MEB du département de mécanique de l’EC Lille. 3.1.1.2. Micromachine La micromachine pour les essais de traction-compression est un instrument déjà employé dans quelques expériences et thèses au long des années à l’École Centrale de Lille et au LML. Il s’agit de deux traverses avec des mors pour placer les éprouvettes à tester, reliées par l’intermédiaire de deux vis. Ces dernières sont actionnées par deux moteurs pas-à-pas piézoélectriques, placés de façon antisymétrique de chaque côté. Elle est capable de fournir des efforts jusqu’à 7000 N. On dispose de deux bases pour la micromachine, permettant de la placer en « horizontale » (c'est-à-dire, avec les mécanismes d’actionnement en horizontale, observant l’éprouvette depuis la partie supérieure) o en « verticale » (la machine est appuyée sur une de ses traverses au niveau du boîtier des roulements d’une des mors, avec les mécanismes d’actionnement en position verticale). Figure 4 – Bouchon de câblage de la micromachine, intégrable dans la nouvelle conception. Figure 5 – De gauche à droite : micromachine en verticale, détail des mors de serrage, détail de la vis de déplacement et capteur LVDT. 13 3.1.2. Conception antérieure Cette épigraphe veut rassembler les travaux faits en termes de CAO par les projets précédents, en permettant une approche du problème et un point de départ de la nouvelle démarche. 3.1.2.1. Géométrie générale Les travaux de CAO précédents ont permis de donner une structure assez précise de l’ensemble de l’expérience. Depuis les travaux de Mlle. Bodelot, on trouve bien une disposition où l’éprouvette est la source de rayonnement ; par le biais du miroir dichroïque on obtient les rayonnements séparés, analysés dans les capteurs correspondants. Les travaux de M. Desbats ont transformé cette disposition « horizontale » sur une table, donnant un arrangement un peu plus complexe, mais plus compacte : le rayonnement est séparé à l’intérieur de l’enceinte, et on n’a plus besoin d’un montage encombrant, tout est aménagé sur le portique et derrière l’enceinte. L’enceinte en soi même est constituée par six parois, attachées les unes aux autres. L’encombrement est à peu près celui d’un cube de 40 x 40 x 40 cm. L’accès à l’intérieur est fait par le panneau frontal, et le bouchon de câblage est placé sur la paroi gauche. Le miroir est attaché au couvercle. Cette disposition permet de résoudre un défaut de réflexion des objectifs sur les surfaces d’observation, connu comme Effet Narcisse, où on capte l’image de la surface plus la réflexion de l’objectif sur le matériau. Figure 6 – À gauche, montage de Mlle. Bodelot, à droite, montage de M. Desbats. (Figures issues des travaux de Mlle. Baudelot et M. Desbats). Figure 7 – Aspect générale de la conception de M. Desbats. (Figure issue des travaux de M. Desbats). 14 3.1.2.2. Montage/Assemblage Le montage du système est fondé sur le placement de l’enceinte sous le portique. La micromachine est placée dans l’enceinte, sur son système de base et un empilement constitué par trois tables micrométriques. Cet arrangement est réglé afin de garantir le bon positionnement de la machine sous le miroir, avec une éprouvette d’étalonnage et les caméras d’observation, bien alignées avec les fenêtres d’observation. Le réglage des caméras est assuré par un étalonnage avec un corps noir, placé à la position de la micromachine. Figure 8 – De gauche à droite : placement de la micromachine sur sa position exacte ; réglage optique par le biais d’un corps noir ; rayonnement du système vers les capteurs. (Figures issues des travaux de M. Desbats). Une fois le réglage fini, l’expérience peut être mise en place. Lorsqu’on fait travailler la machine, on observe que le rayonnement infrarouge sort par la partie supérieure, où il va aboutir sur le capteur attaché au système de balayage du portique, et le rayonnement visible, une fois réfléchi par le miroir, sort à l’extérieur par une fenêtre, puis capté par son microscope. 3.1.2.3. Choix techniques/Matériaux Les travaux faits préalablement ont défini les choix de tous les systèmes d’asservissement et d’observation. Pour l’enceinte, il a été décidé d’utiliser le PMMA comme matériau de base, par sa faible masse volumique et sa facilité d’usinage. L’opacité à l’intérieur devrait être garantie par un revêtement à base de noir de carbone, sauf aux fenêtres d’observation. 15 3.2. Réflexion sur l’Existant A partir de l’analyse des matériaux disponibles et des travaux réalisés, une réflexion a été faite. Le but de cette réflexion a été d’approfondir la connaissance du problème, des défis à résoudre, et de pouvoir améliorer, avec un raisonnement critique, les idées existantes. 3.2.1. Matériaux disponibles Les matériaux déjà disponibles parmi les ressources du LML sont à réutiliser dans le cadre du nouveau projet. Pour le portique, les poteaux sont à rallonger, mais les anciens seront raccourcis et réutilisés dans le nouveau cadre de base du portique, tout en gardant le système de balayage accroché aux traverses du portique. Quant à la micromachine et ses adaptateurs, tout sera repris dans la nouvelle conception. Le système de base sera compatible avec les placements des tables micrométriques ; la machine rentre sans problème dans l’enceinte et l’interfaçage avec le bouchon de câblage du MEB est garanti. 3.2.2. Géométrie La géométrie de l’ensemble, mais surtout de l’enceinte, a été l’objet de nombreuses réflexions. Quels sont les raisons qui ont déterminé certains choix ? Peut-on s’affranchir d’autres problèmes avec des nouvelles idées, tout en gardant les avantages issus de la première conception ? 3.2.2.1. Géométrie Générale Après l’analyse, on trouve que la géométrie de l’ensemble, telle qu’elle est, permet d’assurer une compacité de l’expérience, et améliore la disposition initiale de Mlle. Bodelot en intégrant l’enceinte. Cependant, les choix faits ne permettront pas une flexibilité future. L’idée d’interfacer la machine avec le bouchon de câblage, celui-ci étant accroché à une ouverture latérale, constitue une contrainte pour des expériences futures. Un interfaçage différent, avec d’autres câblages, besoins, etc. forcerait l’adaptation de l’enceinte avec des nouveaux perçages. L’affaire devient plus dure s’il n’est pas possible d’utiliser les perçages existants et, finalement, il est nécessaire de percer à nouveau et boucher toute ouverture qu’on n’utilise plus. Cette configuration ne permet pas de dispositions de la micromachine dans des sens autres que le placement à l’horizontale. On trouve, donc, que les choix qui ont été faits vont, malgré la résolution des besoins actuels, contraindre des utilisations futures. 3.2.2.2. Géométrie du Couvercle Le couvercle est la pièce la plus importante pour l’ensemble de l’enceinte. Le fait d’intégrer le miroir dichroïque, la pièce garantissant l’obtention des images de l’éprouvette, oblige à être soigneux avec sa conception et son comportement. L’intégration du miroir à 45 16 degrés permet de garantir un bon placement de l’élément, et avec des bonnes tolérances géométriques. Cependant, cette disposition n’est valable que dans le cas où le miroir et son hublot ne subissent pas de déformations. C'est-à-dire, on est capable de garantir une géométrie quand l’enceinte n’est pas chargé avec le vide à l’intérieur, tandis que la situation de travail va induire des déformations sur le système, dont leur impact sur le positionnement du miroir en situation de travail doit être évalué et maîtrisé. Les déformations selon le matériau et la géométrie du couvercle sont à étudier, afin de pouvoir déterminer les choix de géométrie et des matériaux à employer pour la conception de l’enceinte. Par ailleurs, il faut observer que la géométrie du couvercle ne peut pas être faite dans tous les matériaux. Le choix original du PMMA permettait un usinage depuis un brut, tandis que l’aluminium serait très difficile à travailler, et même l’acier poserait des problèmes avec des pliages ou soudures multiples à faire. 3.2.3. Choix Techniques Les choix techniques au niveau des matériaux ont été remis en question. Le raisonnement pour l’utilisation du PMMA est cohérent, garantissant une légèreté supérieure à une application analogue avec de l’acier ou de l’aluminium. Puis, cela facilite l’usinage et permet de réduire les temps de fabrication, et la mise en œuvre des géométries plus complexes. Cependant, il a été considéré nécessaire d’analyser à fond les performances du PMMA afin de déterminer si ses caractéristiques vont vérifier les conditions issues du cahier des charges et des points clés issus de l’analyse critique des travaux antérieurs et de la conception. 17 3.3. Proposition de Solutions On veut montrer, sous ce titre, la démarche suivie pour la proposition d’une solution satisfaisant le cahier de charges du projet. D’un côté, une démarche géométrique fût suivie pour déterminer la meilleure disposition des éléments, prenant en compte des critères de conception, mise en œuvre, fonctionnalité et ergonomie. D’autre côté, avec une structure géométrique plus définie et selon des critères de comportement du système, le choix des matériaux a été accompli. 3.3.1. Solutions Géométriques Cette épigraphe montre les différents choix faits au long de la démarche de conception pour trouver la géométrie finale qu’on propose pour le projet. 3.3.1.1. Solution dite « Modulaire » Partant d’une première prémisse de flexibilité, une structure mixte en aluminium et PMMA a été proposée. L’idée était d’intégrer la polyvalence d’un système comme les profilés Bosch avec la facilité d’usinage du PMMA. La structure restait cubique, avec une ossature à base des profilés, encadrant des plaques de PMMA ajustées aux rainures des profilés, le tout fournir des garnitures en élastomère comme joints d’étanchéité. L’accès pouvait être garanti avec le glissement des parois et en déplaçant le couvercle. Ceci conserve la géométrie prévue par la CAO antérieure. Cette structure à pièces standardisées et très modulaire permettait des ampliations futures et faciles à gérer. Cependant, le grand nombre de joints d’étanchéité à mettre en place, ainsi que la difficulté pour garantir des bonnes tolérances géométriques, furent les arguments pour ne pas choisir cette solution. Des autres idées ont été considérées, pour d’une réduction du nombre des joints. 3.3.1.2. Solution dite « Intégrale » Étant donné que le nombre de joints d’étanchéité entre les pièces démontables et les parties fixes, la solution passe par une conception plus « intégrale » avec des grandes pièces solides, à assembler avec des unions mâle-femelle ou des géométries coïncidentes. On envisage un système où les plaques en PMMA seront aussi jointes par un ensemble de vis. La solution a été déjà implémentée sur une petite chambre à vide utilisée sur le dispositif du tribomètre, dans le laboratoire de mécanique de l’École Centrale, et a été jugée comme appropriée. Cette solution, très similaire avec la CAO antérieure, a été gardée comme base pour les conceptions futures. Sa simplicité de mise en œuvre et sa robustesse sont des caractéristiques désirables pour l’instrument final. 18 3.3.2. Solutions en Matériaux En parallèle des démarches en géométrie, le choix des matériaux a été poursuivi. Les géométries originales de la première CAO ont été testées afin de bien connaître leur comportement, en testant les performances du PMMA. D’autres matériaux on été testés, et la démarche pour trouver le matériau à utiliser a vite entrainé des réflexions sur la géométrie et la conception de certaines pièces. L’ensemble des tests a été fait sur le logiciel de calcul d’éléments finis Abaqus. 3.3.2.1. Solution en PMMA Le choix du PMMA était issu du processus de conception fait préalablement. Il a été considéré nécessaire d’évaluer ses performances. Le premier test a été fait sur la géométrie originale : la paroi avec le trou pour le câblage de la micromachine et le couvercle à deux plans et un plan incliné à 45 degrés, avec une ouverture plutôt centrée sur ce dernier plan, constituant l’hublot du miroir. Le PMMA a été considéré comme homogène et isotrope, avec un Module d’Young de 3300 MPa et un coefficient de Poisson de 0,43. 3.3.2.1.1. Paroi avec Ouverture Le modèle pour cette analyse a été une plaque aux dimensions réelles et l’ouverture pour le bouchon de câblage. Elle a été soumise à une simulation par éléments finis sous une charge de pression atmosphérique à l’extérieur (101300 Pa) et du vide à l’intérieur (100 Pa), avec un encastrement aux points de fixation réels. Les résultats ont montré une bonne résistance en tension (maximum 10 MPa), avec des déplacements maximaux de 4,5 dixièmes de millimètre. Figure 9 – À gauche, champ de déplacements sur la paroi gauche, à droite, contraintes de Von Mises. 19 3.3.2.1.2. Couvercle originale Les conditions de cette analyse on été un encastrement sur le contact du couvercle avec les autres parois de l’enceinte, puis la pression atmosphérique (101300 Pa) sur la partie extérieure, et une pression de 100 Pa à l’intérieur (correspondant, grosso modo, au niveau de vide à l’intérieur de l’enceinte). Le résultat du test a été une déformation du couvercle plus prononcé au centre, presque nulle aux bords, comme il était envisageable. Quant à la position du miroir, on a observé des déplacements principalement verticaux, avec des légers écarts dans le plan du couvercle. Cependant, les déplacements des points diamétralement opposés étaient différents. Cela entrainait une rotation du miroir, ce qui éventuellement pourrait induire des déviations de l’image du spectre visible réfléchie vers la fenêtre au fond. Cette rotation a été chiffrée en +0,11 degrés3. Pour une distance du miroir à la fenêtre, ça donne une perte d’environ 0,3 mm du champ d’observation, et des nuisances avec la transmission de l’image à travers la fenêtre avec des phénomènes de réfraction dus à l’incidence avec un angle écarté de la perpendicularité. On trouve donc que le choix du PMMA, avec une moindre rigidité par rapport à d’autres matériaux, peut être gênant pour l’expérience à mener dans l’enceinte à cause des écarts induits sur les rayonnements et, donc, sur la captation des images. 3 Voir Annexe A.1. « Calcul des écarts angulaires ». Figure 10 – À gauche, champ de déplacements sur le couvercle à géométrie originale ; à droite, contraintes de Von Mises. 20 3.3.2.2. Solution en Aluminium L’aluminium a été testé aussi comme matériau sur la géométrie originale. Les données issues de la simulation ont montré qu’une paroi plus mince que celle du PMMA (5 mm), ne subissait qu’une déformation maximale de 3,5 dixièmes de millimètre, avec des faibles contraintes (10 à 20 MPa). Pour le couvercle, les contraintes sont aussi faibles (pas plus de 5 MPa), avec des déformations sur l’hublot du miroir donnant une rotation de +0,0056 degrés. Malgré ces résultats, beaucoup plus performants que ceux du PMMA, il n’est pas envisagé comme matériau. La géométrie est trop grande pour être usinée depuis un bloc brut, trop épaisse pour être pliée avec les moyens de l’atelier de l’École Centrale, et la soudure de l’aluminium s’avère compliquée et couteuse pour faire un assemblage avec plusieurs tôles, tout en garantissant la tenue du vide. 3.3.2.3. Solution en Acier Quant à l’acier, sa performance est encore meilleure, grâce à sa rigidité : le couvercle ne subit pas plus de 5 MPa sur aucun de ses points, et les écarts angulaires induits sur le hublot du miroir sont de 0,0019 degrés. Par contre, l’acier est trop couteux pour l’usiner depuis un bloc brut, les épaisseurs ne permettent pas de le plier avec les moyens de l’atelier, et la soudure, très précise, doit garantir la tenue du vide. Figure 11 – À gauche, champ de déplacements sur le couvercle à géométrie originale ; à droite, contraintes de Von Mises. Figure 12 - À gauche, champ de déplacements sur le couvercle à géométrie originale ; à droite, contraintes de Von Mises. 27 Figure 17 – À gauche, contraintes sur un ensemble paroi-porte ; à droite, contraintes du couvercle renforcé. 3.4.1.4. Vérification de l’Assemblage Boulonné L’étude de l’assemblage boulonné n’est pas, dans ce cas, une des parties les plus critiques. Le fait de travailler sous vide ajoute une « aide » supplémentaire au serrage du couvercle : c’est la pression atmosphérique qui viendra sur-tasser le joint lors de la mise en charge. Le serrage devient donc un système pour garantir le bon contact entre le joint et la surface de la collerette, ce qui permet un bon démarrage de la mise sous vide. Au fur et à mesure que le vide s’accroît, le couvercle subira les efforts induits par la pression de l’aire. Ces efforts vont remplacer partiellement l’action des boulons, que vont subir un léger relâchement. 3.4.2. Comportement Optique Le comportement optique de l’enceinte ne pourra être vérifié véritablement qu’au moment où elle sera fournie. Cependant, à partir de la conception il a été possible d’étudier une approximation de l’incidence de la géométrie sur les rayonnements globaux, et envisager les décisions à mettre en œuvre afin d’avoir le meilleur comportement optique. Le rayonnement incident sur le miroir dichroïque et, pour autant, l’image issue de celui-ci, doit montrer l’état de l’expérience sans nuisances. Ce rayonnement arrive au miroir depuis l’éprouvette au travers d’un perçage cylindrique entre le fond du couvercle et l’intérieur de la pièce où on vient placer le dioptre. Ce perçage a un diamètre de 15 mm et une longueur de 30 mm. Cela permet de tracer un cône délimitant le lieu géométrique des points où le rayonnement d’un corps atteindrait directement le miroir, faussant les mesures de champ thermique. Ce cône peut être défini comme il est montré dans la figure ci-dessous. 28 Figure 18 - Esquisse des rayonnements : en rouge, image radiée directement de l’éprouvette ; en bleu clair, cône de rayonnement direct sur le miroir ; en bleu foncé moyen, cône de rayonnement vers l’intérieur du petit espace ; en bleu très foncé, zones de rayonnement direct impossible. Il est possible de voir que tout autre point hors de l’espace dans le cône ne rayonnera pas à travers le perçage d’observation sans faire appel aux phénomènes de réflexion. Afin de garantir le non rayonnement des surfaces intérieures, les parois seront sablées pour créer une rugosité superficielle, puis ensuite revêtues d’une peinture à haute émissivité. Le traitement de surface, malgré la maigre influence de la rugosité surfacique issue du processus, permet de favoriser l’adhérence de la peinture sur la surface de l’aluminium. Le rayonnement pourrait être encore moindre en anodisant les surfaces intérieures, mais on trouve plusieurs problèmes face à l’application de ce système : tout d’abord, le coût est assez fort ; ensuite, l’anodisation est un procédé électrochimique, où l’immersion des pièces dans un bain électrolytique est nécessaire, et ça anodise toutes les surfaces, pas seulement la surface intérieure ; finalement, l’anodisation crée une couche d’alumine (Al2O3) très dure, à endommager lors du soudage, ce qui pourrait rendre le traitement inutile. 29 3.4.3. Choix Techniques Sous cette épigraphe on veut assurer que les choix techniques ont été en accord avec les meilleurs critères et performances pour le système : est-ce que les matériaux sont optimaux ? Vérifie-t-on le cahier de charges ? Légèreté : Nous préconisons l’acier comme solution pour le couvercle, en raison de sa forte rigidité. Cependant, l’aluminium a été choisi à cause de sa masse volumique, plus faible que celle de l’acier. Pourtant, l’acier est trois fois plus rigide que l’aluminium et, en ligne avec cette idée, il pourrait être intéressant d’introduire l’acier dans toute la structure, utilisant moins de matière. Cet aspect a été pris en compte, et une géométrie complète en acier a été testée au niveau du poids, les parois trois fois moins épaisses5. Voilà les résultats : · Solution proposée : 72,7 kg dont 38,66 kg d’aluminium et 33,99 kg d’acier. Cette estimation a été faite avec une géométrie simplifiée, d’où l’écart de presque 2,5 kg avec l’enceinte réelle. · Solution en Acier : 70,8 kg dont 36,8 kg de la partie en aluminium reconvertie en acier et avec l’épaisseur trois fois moindre et 33,99 kg du couvercle. Le gain est trouvé faible. Certes, l’acier fait gagner presque 2 kg, mais il est plus coûteux à usiner, à sabler… ce qui rendrait les opérations de finition de l’ensemble plus dures qu’avec l’aluminium. Remarque : Le fait de réduire l’épaisseur de l’enceinte ne peut pas être pris légèrement. Comme il a été exprimé auparavant, le voilement des plaques est possible si les conditions physiques et géométriques du matériau atteignent certaines valeurs. Même si on pourrait être tentés de réduire les épaisseurs pour gagner, le seuil de déclanchement n’est pas sûr à cause des incertitudes sur la qualité de la surface, et le travail en flexion lors de la mise à vide. Puis, une telle épaisseur pourrait, à la limite, rendre assez compliquée l’exécution de taraudages pour les charnières, et donner de problèmes lors du soudage. 5 Voir l’Annexe A.4. « Évaluation des gains en masse selon le matériau ». 30 4. Démarche de Mise en Œuvre La fin de la démarche de conception n’implique pas que les travaux sur la CAO de l’enceinte soient finis. Le développement de l’enceinte pendant la conception a pris en compte toutes les contraintes du cahier de charges, mais on a aussi prévu, en avance, des points remarquables où on se trouverait avec des problèmes reliés à la production et la mise en œuvre, et les problématiques avec matériaux, etc. La CAO issue du processus de conception a été montrée au personnel de l’atelier et professeurs de l’École Centrale spécialisés en fabrication pour avoir leur conseil lors de la mise en œuvre, afin de la rendre simple et aisée. Leurs avis ont été intégrés comme adaptations et corrections, améliorant les décisions prises lors de la conception. 4.1. Mise en Œuvre La structure envisagée pour l’enceinte part d’une série de pièces simples à usiner et adapter à la réalité de la mise en œuvre. Depuis le brut, ce sont plusieurs processus de fabrication à entreprendre avant d’avoir l’enceinte comme résultat final, et chacune des opérations doit être préparée, avec des adaptations et usinages sur les pièces tout au long du processus. 4.1.1. Découpe des parties L’enceinte étant constituée de plusieurs plaques de différents métaux, la première partie de la démarche de fabrication est la découpe des plaques. Le point de départ est une plaque d’aluminium, une plaque d’acier et un lopin d’acier. 4.1.1.1. Éléments de Base La plaque d’aluminium devrait comporter des dimensions de 2000 x 1000 x 15 mm, soit 2 m2 de surface. Il est possible d’introduire sur cette surface tous les composants à découper avec une légère sur-dimension, en laissant des espaces entre chaque pièce (voir figure ci-dessous). Ces pièces seraient découpées avec un système laser comme celui dont on peut disposer à l’atelier de l’École Centrale de Lille. Ce système permettra aussi de faire les découpes intérieures pour les hublots des portes de façon rapide et aisée. 31 Figure 19 – Placement des composants sur une plaque d’aluminium de 2 m2. La plaque d’acier ne doit pas comporter des dimensions supérieures à 500 x 500 mm pour la surface, puis une épaisseur de 20 mm, car la partie plate du couvercle est le seul élément à être issu d’une plaque d’acier. Pour la base du miroir, accrochée au plan de couvercle, on partira d’un lopin d’acier d’environ 60 x 60 x 60 mm, à usiner pour se retrouver avec les dimensions réelles et les tolérances géométriques permettant le bon placement du miroir dichroïque. 4.1.1.2. Opérations d’Usinage 4.1.1.2.1. Pièces en Aluminium Les pièces en aluminium issues du processus de découpe vont subir, ensuite, une série d’opérations d’usinage afin d’atteindre les conditions géométriques nécessaires pour l’assemblage global de l’enceinte. Selon leur fonctionnalité, l’attention est centrée sur une partie différente de la pièce ; on peut diviser l’ensemble des pièces en aluminium en deux parties : portes et parois. Parois. Les parois de l’enceinte vont être soudées, les unes avec les autres, aux points de contact situés aux coins, et avec la base au contact entre celle-ci et les parois, sur le côté extérieur de l’enceinte (voir figures ci-dessous). Afin de permettre une opération de soudure précise, les surfaces de contact seront usinées pour avoir un meilleur accostage entre les pièces et réduire les écarts géométriques. Ensuite, des caniveaux de soudure sont prévus sur les endroits où le contact est entre deux surfaces « planes » ; cela permet de créer la place pour ajouter le matériau d’apport lors de la soudure, sans faire apparaître des cordons de soudure. Les surfaces usinables seront : les bords de contact avec la base et les autres parois ; la partie extérieure de la base, autour du « centrage » (ceci sert à placer plus précisément les 32 parois lors de l’opération de soudure) ; les ouvertures pour les différentes trappes de la chambre, pour faire bien rentrer les centrages des portes dans les ouvertures. Finalement, des taraudages sont prévus à côté des ouvertures pour le placement des charnières et du système de pré-serrage des portes. La collerette d’accrochage du couvercle est aussi faite en aluminium. Elle sera issue du même brut que les portes et les parois, et usiné aux surfaces de contact avec le haut des parois, pour avoir un bon contact lors de la soudure, puis aussi sur la surface de contact avec le couvercle. Elle sera aussi percée pour effectuer une Assemblage boulonné avec le couvercle en acier. Figure 20 – Vue d’une paroi latérale. Le chanfrein sert comme caniveau de soudure. Les perçages à droite permettent l’ancrage des charnières. Portes. Les portes sont fabriquées à partir de la même plaque que les parois de l’enceinte. Elles seront usinées pour créer un centrage de la même forme que l’ouverture des parois. Tout autour du centrage, une rainure à dimensions standardisées vient accueillir un joint d’étanchéité, garantissant l’absence de fuites lors de la mise à vide. Sur un des côtés elles seront aussi taraudées, pour le placement des charnières d’articulation avec le reste de l’enceinte, ainsi que du système de pré-serrage. Figure 21 – À gauche, côté intérieur de une porte, avec son centrage ; à droite, côté extérieur, avec les perçages de fixation des charnières. 33 4.1.1.2.1. Pièces en Acier L’ensemble de l’enceinte ne comporte que deux pièces faites en acier, composant le couvercle une fois assemblées. D’un côté, la partie plane du couvercle, puis le placement du miroir dichroïque. Plan du Couvercle. Le plan de couvercle est à usiner depuis une plaque d’acier brut. On trouvera un centrage de la même forme que l’ouverture intérieure de la collerette d’accrochage. La surface extérieure, percée de façon identique au couvercle, aura une rainure standardisée où on placera le joint d’étanchéité pour l’assemblage ; cette surface sera aussi l’objet d’un usinage pour garantir un bon contact avec la collerette lors de l’assemblage. Placement du Miroir. Pour le placement du miroir, on part de deux pièces : un lopin d’acier et une petite plaque. Le lopin sera à vider sur une machine pour donner un forme creuse où on percera deux alésages pour le passage du rayonnement depuis l’éprouvette par l’un, et de la fraction visible vers l’extérieur par l’autre. Ce deuxième sera muni d’un évidement pour placer le dioptre de fermeture et son joint d’étanchéité. La plaquette sera usinée sur les surfaces en contact, et aussi au niveau du perçage pour le placement du miroir dichroïque. Celui-ci est placé sur une rondelle d’étanchéité et fixé avec trois vis. Figure 22 – De gauche à droite, d’haut en bas : placement du miroir, vue éclatée du placement du miroir, plan de couvercle. 34 4.1.2. Opérations de Soudage La plupart des assemblages entre les composants de base de l’enceinte sont soudées. Cette opération a été choisie, malgré la rigidité qu’elle confère aux éléments attachés, parce qu’elle permet de garantir des assemblages forts et étanches. Cependant, il faut faire attention à la façon de mettre en œuvre les soudures et adapter la conception aux méthodes si besoin, pour rendre les opérations plus aisées. 4.1.2.1. Soudage des Composants en Aluminium La soudure des composants en aluminium sera faite avec un apport du matériau sur le caniveau entre les pièces à joindre. Cependant, la soudure de l’aluminium n’est pas une méthode d’assemblage facile à mettre en œuvre : il s’agit d’un matériau à faible soudabilité, et il faut faire attention aux alliages d’aluminium choisis pour effectuer la soudure (base et apport) ; puis, il faut décaper et dégraisser les surfaces avant de commencer le processus et empêcher la formation d’hydrogène ; finalement, il est impératif d’utiliser une atmosphère de gaz inerte afin d’empêcher la formation d’oxydes supplémentaires. Enfin, la forte conductivité thermique de l’aluminium provoque des fortes déformations aux pièces. Il est important de souder rapidement pour ne pas générer des contraintes résiduelles lors du montage de l’ensemble. Les soudures des parois avec la base sont faites au point de contact entre la paroi et la base, au côté extérieur de l’enceinte, formant un angle à 90 degrés. Cette géométrie permet une soudure aisée des composants et une bonne disposition du cordon d’un point de vue de l’inspection et de la réparation. Pour les parois, les caniveaux de soudure à 45 degrés d’inclination sont placés aux joints entre les plaques : les latérales avec la plaque de front (un de chaque côté), la plaque au fond avec chaque plaque latérale (les deux sur la plaque de fond). La collerette sera fixée en haut des parois, suivant le même principe que la base : soudure en angle de 90 degrés entre les deux surfaces, du côté extérieur. Figure 23 – Détail des caniveaux de soudure, en forme de chanfrein aux points de contact entre les parois latérales. 35 4.1.2.2. Soudage des Composants en Acier La soudure des pièces en acier sera faite aussi avec un apport d’acier sur le point de l’assemblage. Les pièces à rendre ensemble sont les deux composants du placement du miroir, puis le placement et la partie plane du couvercle. Dans le premier des cas, deux faux « caniveaux » sont formés par la base et la plaquette du miroir. Une fois soudés, les côtés plats sont finis avec l’addition de deux cordons de soudure. La forte rigidité de la base devrait empêcher des grands écarts géométriques à cause de la chaleur lors du soudage. Le tout sera ajouté sur le couvercle plat, en répétant une soudure deux à deux, ne générant pas de contraintes résiduelles et évitant les écarts géométriques. Figure 24 – En rouge, cordons de soudure sur le placement du miroir, reliant la plaquette-hublot et la base usinée depuis un bloc brut. 4.1.3. Assemblage Il existe un pas qui précède le montage complet de l’enceinte. Il s’agit du sablage des surfaces intérieures des parois, portes et couvercle, ceci comprenant aussi l’espace intérieur immédiat au miroir dichroïque. Après avoir achevé une rugosité acceptable, un revêtement en peinture à haute émissivité est à mettre sur les surfaces traitées de façon soigneuse. Le but du revêtement est de fournir les propriétés optiques de non réflexion à l’intérieur de l’enceinte. Ensuite, l’assemblage global de l’enceinte est achevé avec l’assemblage du couvercle et de la base d’aluminium, et l’addition des composants plus petits. Le couvercle a été muni préalablement d’un joint d’étanchéité dans la rainure faite à cet effet. L’assemblage entre le couvercle et la collerette est faite avec 40 boulons ; cette quantité permet de garantir un écart suffisant entre chacun d’entre eux et une bonne étanchéité pour l’assemblage. Puis, les portes sont munies de ses joints et sont montées sur des charnières, ensuite fermées avec un système de serrage à vis. Le miroir et le dioptre de radiation visible sont aussi placés avec leurs garnitures pour garantir l’étanchéité. 36 4.2. Mise en Œuvre des Annexes Le montage global comporte, comme il a été décrit, une série d’annexes qui permettent de mettre en place les systèmes de captation et de rendre la manipulation de l’enceinte plus facile. L’ensemble des annexes comporte le portique, un système de mise en place pour l’enceinte, les caméras, les asservissements de l’enceinte et de la machine. 4.2.1. Portique Le nouveau montage conçu après la CAO détaillée et la définition des besoins pour l’expérience permet d’envisager une modification du portique actuel pour l’adapter à la nouvelle géométrie. Le placement de la caméra infrarouge sous le portique implique un rallongement des quatre poteaux pour avoir de la place, puis pour permettre les réglages des distances optiques pour la captation des images. Ensuite, la philosophie de la base sera gardée, mais avec des modifications ; comme il est envisagé de mettre un système de rails permettant le déplacement de l’enceinte sous le portique, il sera nécessaire, donc, de changer la position des poteaux, qui seront placés aux coins. Les traverses originales seront placées dans le même état actuel sur des nouvelles traverses additionnelles, comme il est montré ci-dessous. Figure 25 – À gauche, conception première du portique ; à droite, conception nouvelle. La structure de base actuelle est à garder, en enlevant un des côtés. Deux anciens poteaux sont à réutiliser une fois raccourcis pour les deux nouvelles traverses latérales. Les traverses centrales et le dispositif de balayage seront gardés dans son état actuel. 4.2.2. Rails de Guidage À partir du travail sur la CAO, le poids estimé pour l’enceinte est d’environ 70 kg. La possibilité de déplacer l’enceinte est, donc, fortement contraint, parce qu’il faut respecter les limitations de charge maximale à déplacer par une personne (environ 30-35 kg). Étant donné que l’enceinte sera placée sous le portique, l’opération du placement est encombrante du fait que les quatre poteaux vont empêcher certaines manœuvres. 43 aux deux machines, micro et macro ; effectivement, tout au long de la journée, la machine de 400 kN s’est relâchée de presque 400 – 500 N, mesure confirmée par le logiciel de gestion de la machine, mais aussi par l’éprouvette instrumentée. Cependant, la traverse de la grande machine n’a pas bougé. La nature de ce relâchement reste, à l’heure actuelle, à trouver. Les hypothèses issues des consultations auprès les professeurs et chercheurs de l’École Centrale de Lille pendant les essais ont donné quelques pistes, que devront être vérifiées : Hypothèse du Capteur : la résine pour coller la jauge subit un fluage local, modifiant les mesures. Hypothèses Mécaniques : · Les mors ne sont pas assez rigides, et permettent un relâchement léger au long du temps. · Les systèmes d’actionnement interne donnent un peu de jeu, qui est repris lors de la mise en palier de la charge, provoquant le relâchement. 5.1.5. État Actuel Le réglage final de la micromachine a été arrêté en attendant une compréhension plus profonde des phénomènes retrouvés lors du réglage et son incidente sur la réalisation des expériences. Si elle n’est plus précise, le LML devra décider s’il est désirable de finir la mise à point où s’il vaut mieux se fournir d’un autre instrument remplaçant la micromachine. 5.2. Tests de l’Enceinte Une fois l’enceinte arrivée au laboratoire, elle devra être testée afin de vérifier que les fonctionnalités prévues dans le cahier de charges ont été bien accomplies. Cela entraine de tests sur le vide (sa qualité et tenue), l’optique (isolement vers l’extérieur, réflexion à l’intérieur...), etc., mais aussi sur les asservissements autour du système, les caméras, les systèmes de compresseur et vide, etc. 5.2.1. Tests des Asservissements Avant de commencer à utiliser l’enceinte, il sera nécessaire de vérifier le bon fonctionnement des asservissements extérieurs à utiliser sur l’expérience. Un test du compresseur et des systèmes de raccord sera à faire, ainsi que de l’électronique de contrôle de la micromachine. Ensuite, des vérifications seront à faire sur les raccordements pour les systèmes à l’intérieur : bonne fixation, étanchéité et service. Une fois que les systèmes annexes seront mis à point, les tests sur l’enceinte pourront démarrer. 44 5.2.2. Tests du Vide La qualité du vide fourni par la chambre devra être testée. Il y a trois opérations envisageables pour le programme de tests : vérification du niveau de vide dans la chambre ; vide/remise en pression du système de façon répétée, pour observer la tenue du système de trappes et de ses garnitures face à ces cycles de fonctionnement ; finalement, la mise sous vide et estimation du temps de perte du vide à cause des fuites. La base pour ces tests sera la prise de valeurs de pression depuis les manomètres situés sur l’enceinte. 5.2.3. Tests de l’Optique Concevoir une enceinte où le comportement optique est le meilleur possible a été un des soucis principaux pendant le projet. Avec l’enceinte achevé, il sera nécessaire de tester que, effectivement, l’optique est bonne et permet une bonne observation de l’essai à l’intérieur de l’enceinte. Deux essais principaux sont à effectuer : un essai de placement et calibration des systèmes d’observation, avec une éprouvette témoin et le corps noir à monter à l’emplacement de la micromachine ; enfin, un essai d’observation de la surface d’une éprouvette en conditions de vide, afin de vérifier que le système est fonctionnel et qu’il n’y a pas de problèmes avec les dioptres et les déformations induites par la pression. 45 6. Bilan Final Après la démarche de conception et de planification de la fabrication de l’enceinte sous vide, ainsi que de toutes ses annexes, un dernier bilan de l’état de l’art est à faire. Sous cette épigraphe on veut montrer l’état d’accomplissement des tâches, ainsi qu’une brève description de l’expérience d’ingénieur au long du stage. 6.1. État de l’Art à l’heure actuelle Ce rapport comprend toute la démarche de conception de l’enceinte sous vide à utiliser pour la mesure couplée de champs thermique s et de déplacements. Nous avons fourni une conception complète de l’enceinte, en montrant les raisons et les calculs que justifient les choix techniques effectués dans chaque étape du projet. La fabrication a été aussi prévue lors de la conception : des procédés de mise en œuvre ont été choisis, et leur influence sur la conception prise en compte. L’état de la démarche à l’heure actuelle est d’attente de devis de la par de différents acteurs externes avant d’entreprendre la mise en œuvre. Si elle est faite en sous-traitance, il sera nécessaire de bien spécifier toutes les caractéristiques de la conception sur les plans à fournir. Si l’enceinte est à fabriquer dans l’atelier de l’École Centrale de Lille, il sera nécessaire de discuter les détails de la fabrication avec le personnel en charge de la mise en œuvre. L’état de la micromachine est incertain, dû au fait que la démarche de mise à point n’a pas eu de résultats positifs. Les problèmes retrouvés lors du réglage du système de mesure des efforts ne permettent pas, pour l’instant, son utilisation avec une sécurité sur les résultats. Il est à décider, par les acteurs concernés, de continuer à résoudre ces problèmes ou de chercher un nouvel équipement avec les mêmes fonctionnalités. 6.2. Bilan du Rôle de l’Ingénieur Le rôle de l’ingénieur dans cette démarche est, essentiellement, d’être un lien entre les différents acteurs. Il ne constitue pas un être en soit même, mais une partie d’une chaîne plus grande. Il est en contact avec les acteurs qui lancent le projet et avec les utilisateurs futurs afin de connaître les contraintes issues de l’utilisation et des plans postérieurs pour l’enceinte. Il doit être en contact avec les agents de fabrication, discutant avec eux tout les aspects d’une future mise en œuvre afin d’adapter sa conception dès le début. Dans la démarche montrée auparavant, des nombreuses réunions de débriefing on était faites avec tous les intervenants. Le but de ces réunions a été de montrer l’état d’avancement et de discuter les options à poursuivre, connaître l’avis d’autres ingénieurs et prévoir les actions à mettre en place pour une démarche plus aisée et rapide. Chaque débriefing a été suivi d’un bilan écrit et transmis aux participants du projet. 46 A. Annexes Techniques A.1. Calcul des Écarts Angulaires A.1.1. Principe Géométrique La configuration de l’enceinte, avec des dioptres intermédiaires entre l’intérieur et l’extérieur pose un problème d’adaptation aux comportements de l’enceinte lors de la mise en pression. Le but de cette configuration est de s’affranchir des problèmes de l’Effet Narcisse, où on capte une image avec un dispositif, et la réflexion spéculaire sur la surface du matériau à observer donne une superposition de notre image désirée, superposée avec le dispositif luimême. Cette configuration doit être robuste, afin de garantir que, lors de la mise sous vide, les déformations induites sur les placements des dioptres n’empêchent pas la bonne transmission des radiations à capter par les dispositifs infrarouges et visibles. C’est surtout au niveau du miroir dichroïque qu’on va se concentrer, parce que son placement est très proche du centre du couvercle, l’aire la plus déformée lors du travail de l’enceinte. Le placement du miroir est sur une surface à 45 degrés. Il est fixé par trois vis, appuyé sur une rondelle que permet de garantir l’étanchéité de l’ensemble. Sur la conception première, cette surface à 45 degrés fait partie de la structure de l’enceinte, tel qu’il est montré sur l’image ci-dessous. Figure 29 – Détail de la géométrie du placement du miroir. 47 Lors de la mise à vide, les déplacements sur la position du miroir ont une nature principalement verticale. La différence des déplacements des extrémités du miroir induira une rotation autour de l’axe perpendiculaire. Cette rotation, mal maîtrisée, peut induire aussi un mauvais transfert de l’image, comme il est montre ci-dessous. Figure 30 – Représentation des écarts de position en charge par rapport à la géométrie en repos. L’écart angulaire entre les deux situations, repos et travail, peut être décrit en fonction de la variation de l’écart vertical entre les points haut et bas du miroir. Considérant le miroir comme presque indéformable, on accepte sa grandeur caractéristique (le diamètre) comme fixe. On peut se dire, donc, que l’angle issu de la configuration de travail est : ߙԢൌቆܪᇱ ͵ͷቇǢܪᇱൌሺ͵ͲǤͻͳͳͳ͹െοܪሻെሺ͸Ǥͳ͸ͻͶെο݄ሻ Et que l’écart global est : οߙൌͶͷιെߙᇱ՜οߙൌͶͷιെቆሺ͵ͲǤͻͳͳͳ͹െοܪሻെሺ͸Ǥͳ͸ͻͶെο݄ሻ ͵ͷ ቇ A.1.2. Calculs En prenant en compte les déplacements des points extrêmes, issus d’une analyse d’éléments finis de la géométrie, il a été possible de caractériser, pour les différents géométries et matériaux essayés, les écarts angulaires de chaque cas. Les tableaux suivants montrent les résultats pour chaque essai, en partant du principe décrit sur l’épigraphe précédente. 48 A.1.2.1. Géométrie Première Les résultats suivants comprennent tous les essais pour la géométrie de base issue des travaux précédents. Ces essais ont eu comme but de caractériser le comportement de la géométrie pour chaque matériau et son utilité par rapport au cahier de charges du projet. Matériau U haut U bas H' a Da PMMA -0,56049 -0,60971 24,69955 44,88623929 -0,11376071 Aluminium -0,028815 -0,031218 24,746367 44,99451269 -0,00548731 Acier -0,0097971 -0,010593 24,7479741 44,99823305 -0,00176695 Tableau 1 – Écarts angulaires pour la géométrie originale. A.1.2.2. Géométrie Modifiée Cette épigraphe veut montrer les essais développés pour déterminer la configuration plus pratique dans la nouvelle conception. C’est à travers de ces essais qu’on justifie le choix de la géométrie et des renforts comme il est montré sur la démarche de conception. Matériau U haut U bas H' a Da Aluminium -0,0321358 -0,0318297 24,7496061 45,0020113 0,0020113 Acier -0,0115831 -0,012881 24,7480021 44,99829787 -0,00170213 Tableau 2 – Écarts angulaires pour la nouvelle géométrie. 49 A.2. Calcul de l’Assemblage Boulonné A.2.1. Introduction Les assemblages boulonnés sont très communes dans le domaine de l’ingénierie. Elles sont très utilisés pour relier des éléments de forme rigide, résistante, mais aussi démontable dans quelques occasions au long de la vie de l’assemblage. Le cas présent est une union tête à tête, entre le couvercle et la collerette accrochée aux parois, ce qui constitue un exemple classique de ce type d’accrochage. Le défi pour cette assemblage, surtout dans le cas des applications sous pression, est de garantir une étanchéité entre les deux parties reliées, avec les membrures de chaque côté bien collées, malgré l’application de forts efforts. Le serrage doit être garanti par l’action des boulons, pré-chargés lors du montage et qui, lors de l’application des efforts, vont permettre de garder une pression sur l’aire du contact, malgré les charges essayant de les séparer. Cependant, le cas concernant l’enceinte sous vide pose un défi bien différent. Là, le travail des boulons n’est plus de garder le contact quand la pression à l’intérieur monte, parce que l’action cette fois-ci arrive depuis l’extérieur : le vidage de la chambre induit une charge issue de la pression atmosphérique, et le défi est de garantir une bonne tenue de l’assemblage par rapport à l’extérieur, empêchant les entrées d’air. A.2.2. Base Technique Un assemblage boulonné comporte, typiquement, trois parties : les bases ou membrures, les boulons, et une interface entre les deux surfaces de contact, afin d’assouplir l’action entre les deux parties et garantir un bon contact. Le but du calcul est de garantir, au pire des cas, une action sur l’interface qui empêche le déplacement des éléments. Pour le problème actuel, ce qu’on veut trouver est la garantie d’un bon contact entre les éléments de l’assemblage, plus particulièrement entre le joint d’étanchéité et les membrures (voir le couvercle et la collerette). Le tassement correct d’un joint d’étanchéité est donné par une valeur de pression à appliquer sur une surface effective d’écrasement, afin de garantir un contact optimal entre le joint et la surface d’une membrure. Il faut distinguer le degré de serrage : fort, où on colle les surfaces des membrures les unes contre les autres ; ou faible, où le joint est tassé, étanche, mais le contact métal-métal n’est pas présent sans pour autant perdre la fonctionnalité de l’assemblage. Il est possible de retrouver, dans la littérature technique, des valeurs typiques selon les matériaux du joint, afin de garantir l’écrasement correct. Dans le cas du l’assemblage couvercle-collerette, le matériau envisagé pour le joint est un caoutchouc. D’après la littérature7 consultée, un élastomère à dureté Shore plus grande que 75 a comme pression d’écrasement 1,38 MPa. 7 Voir l’annexe B.1. « Bibliographie ». 50 A.2.3. Calcul de l’Assemblage Le calcul des efforts à appliquer sur l’assemblage pour garantir les performances envisagées a été fait en deux parties : une approche théorique et une approche « empirique » afin d’avoir le plus d’informations possibles sur l’effort de serrage et bien le quantifier. A.2.3.1. Approche Éléments Finis Avant de calculer les efforts de serrage par la méthodologie analytique, une analyse par éléments finis a été mise en place pour connaître les valeurs de contrainte sur un joint torique lors de son écrasement, sur la surface de contacte. Une considération de rigidité des membrures quasi-infini par rapport au joint a été prise en compte. Puis, des essais d’efforts pour obtenir le même comportement ont été faits afin de voir la correspondance entre les résultats. Efforts d’Interface. Après l’analyse d’éléments finis, la pression de contact sur le joint est aux entours de 5 – 13 MPa, selon le point de calcul, si le système est infiniment rigide. Par contre, si le système possède des caractéristiques mécaniques pour le caniveau et le couvercle, ces valeurs sont plus basses : 3 à 5 MPa. Cette valeur sera prise lors des calculs analytiques, car elle est plus élevée que les 1,38 MPa issus de la littérature, donc permettant la mise en place d’un calcul conservateur. Figure 31 – Simulation d’un joint torique dans un logement infiniment rigide. Les valeurs au contact oscillent entre les 5 – 13 MPa. Efforts de Serrage. Effectuant une correspondance entre l’effort induit sur le joint et celui qu’il faudrait faire sur le couvercle, on s’aperçoit rapidement que l’hypothèse de rigidité infini entre joint et logement n’est pas vraie. L’élasticité du couvercle prend une partie des efforts sous forme de déformation, ce qui fait que l’effort équivalent à appliquer sur le couvercle est plus grand que celui qu’on aurait pu calculer de façon simple. 51 Figure 32 – Tassement du joint de couvercle en exerçant une pression telle que le contact entre membrures est fait et l’écrasement est total. Puis, le comportement du matériau constituant le joint n’est pas celui d’un caoutchouc avec une hypothèse énergétique et des considérations thermomécaniques, mais plutôt une courbe d’écrouissement avec certaines valeurs, essayant de représenter la non-linéarité du caoutchouc de façon simple et rapide. Nous pouvons conclure que l’analyse de l’assemblage par éléments finis est une aide pour la prise des décisions, mais que le besoin d’une description précise du modèle des matériaux rend la détermination des efforts trop longue et couteuse. Les valeurs de pression à l’interface sont à garder, car ils seront utilisés lors de l’approche analytique au problème de l’assemblage. A.2.3.2. Calcul Théorique Le calcul théorique suit la démarche typique dans la littérature technique : l’assemblage est caractérisé par les rigidités de ses éléments constituants (membrures, joint et boulons). Les efforts sur le système sont décrits ci-dessous : deux pressions sont présentes, interne et externe, puis on retrouve les efforts sur les boulons et le joint, plus un effort au contact (si existant). Figure 33 – À gauche : efforts sur l’assemblage quand la pression interne est plus grande que la pression externe ; à droite, efforts sur l’assemblage si la pression interne est moindre que celle à l’extérieur. 52 Soit le bilan d’efforts sur la deuxième considération : ܨ௕௢௨௟௢௡௡௔௚௘ ൌܨ௖௢௡௧௔௖௧ ൅ܨ௝௢௜௡௧ Dans une première étape, on tasse le joint, donc il n’y a pas d’effort de contact. Alors, on peut considérer que l’effort sur les boulons équilibre celui exercé sur le joint. Prenant une pression à l’interface joint-rainure de logement d’environ 5 MPa (cas extrême) : ܨ௕௢௨௟௢௡௡௔௚௘ ൌܨ௝௢௜௡௧ ՜ܨ௕௢௨௟௢௡௡௔௚௘ ൌͷܯܲܽ൉ሾʹǡͷ݉݉൉ሺ͵͸Ͳ൉ʹ൅ͶͲͲ൉ʹ൅ʹ൉ߨ൉͹ǡͷሻሿ ՜ܨ௕௢௨௟௢௡௡௔௚௘ ൌʹͶͷͺͻܰ Considérant cet effort comme repris par le joint pour se tasser au maximum, tout effort additionnel sera subi par les membrures de l’assemblage. L’effort induit par l’atmosphère va aider le tassement (relâchant les boulons), mais on pourrait toujours ajouter un effort supplémentaire de serrage de la même valeur, pour empêcher une relaxation excessive des boulons. Soit une surface de couvercle de 460 x 420 mm, ܨ௔௧௠ ൌܲ௔௧௠ ൉ܵ௖௢௨௩௘௥௖௟௘ ՜ܨ௔௧௠ ൌͲǤͳͲͳ͵ܯܲܽ൉ሺͶ͸Ͳ൉ͶʹͲሻ՜ܨ௔௧௠ ൌͳͻͷ͹ͳܰ Supposons maintenant qu’on veut garantir une pression de serrage entre les membrures lors du serrage initiale d’environ 1 MPa, pour une collerette à dimensions externes de 460 x 420 mm et 400 x 360 à l’intérieur, ܨ௖௢௡௧௔௖௧ ൌͳܯܲܽ൉ሺͶ͸Ͳ൉ͶʹͲȂͶͲͲ൉͵͸Ͳሻ՜ܨ௖௢௡௧௔௖௧ ൌͶͻʹͲͲܰ Donc, avec la valeur de Fcontact nous sommes en position de garantir que les deux membrures seront en contact après le vide de la chambre. L’effort initial sur les boulons serait, ܨ௕௢௨௟௢௡௡௔௚௘ ൌܨ௝௢௜௡௧ ൅ܨ௖௢௡௧௔௖௧ ՜ܨ௕௢௨௟௢௡௡௔௚௘ ൌ͹͵͹ͺͻܰ͹ͶͲͲͲܰ Dû à la géométrie de la collerette, avec une largeur pour le logement des boulons de 15 mm au-delà du bord de paroi, et prenant le diamètre de la surface équivalente d’action du boulon 3 fois son diamètre, le diamètre maximale pour un boulon serait aux entours de 6 mm. Trois fois cette grandeur sera la distance entre les axes de boulon, empêchant le chevauchement des zones d’action des efforts. Cela donne un nombre de boulons de, ܮൌ݊௕௢௨௟௢௡௦ ൉ܦ௕௢௨௟௢௡ ൅ሺ݊௕௢௨௟௢௡௦ െͳሻ൉ܦ௕௢௨௟௢௡ ൅ʹ൉ܦ௕௢௨௟௢௡ ՜ ܮൌܦ௕௢௨௟௢௡ ൉ሺͶ൉݊௕௢௨௟௢௡௦ െͳሻ Pour les côtés de 460 et 420 mm, et sachant que les boulons aux coins sont partagés par les deux côtés aboutissant sur le coin, le nombre de boulons est de, ݊௕௢௨௟௢௡௦ ൌ൬ Ͷ͸Ͳ ܦ௕௢௨௟௢௡ െͳ൰൉ͳ ʹ൅൬ ͶʹͲ ܦ௕௢௨௟௢௡ െͳ൰൉ͳ ʹെͶ՜݊௕௢௨௟௢௡௦ ൌ͸ͺܾ݋ݑ݈݋݊ݏ Cette configuration donne une charge maximale par boulon de, ܨ௕௢௨௟௢௡ ൌܨ௕௢௨௟௢௡௡௔௚௘ ݊௕௢௨௟௢௡௦ ൌ͹ͶͲͲͲ ͸ͺ ൌͳͲͺͺǡʹܰ֜ߪ௕௢௨௟௢௡ ൌܨ௕௢௨௟௢௡ ܵ௕௢௨௟௢௡ ൌͶ൉ܨ௕௢௨௟௢௡ ߨ൉͸ଶൌ͵ͺǡͷܯܲܽ 59 Graphique 1 – Cycle de montée et descente. L’axe d’abscisses montre l’effort donné par la courbe expérimentale. En bleu, on trouve la premier cycle. Comme en montée les valeurs de la courbe sont ceux de l’instrumentation, on suit une droite. En descente, la courbe écarte les valeurs par rapport à la réalité : si on a vraiment 4960 N, la courbe calculée donne 4430 N ; si on devrait avoir -1,3 N, on trouve une valeur calculée de -1230 N. On voit bien que le deuxième cycle effectué suit bien la courbe de descente, mais avec une légère hystérésis. Deux questions se sont posées : c’est le système de calcul l’origine de ces défaillances, ou c’est un problème plus profond ? Ces résultats divergents ont réapparu lors d’un essai avec plus de points de résolution. Puis, le relâchement des efforts aperçu sur les sorties d’efforts de l’éprouvette instrumentée ajoute encore plus d’incertitude : est-ce que les valeurs d’efforts qu’on ajoute sont imparfaits et, donc, on va induire des erreurs sur la courbe expérimentale ? Étant donné que la méthode de calcul pour le système électronique est de comparer sa droite interne avec une valeur de voltage issue du pont de jauges, c’est par ce côté qu’on a continué à faire des essais, parce que ça n’est pas affecté par les phénomènes aperçus. Il a été décidé, donc, d’observer la relation entre le déplacement et les valeurs du pont de jauges, afin de vérifier s’il y a un comportement plutôt linéaire entre les deux. Ces essais ont été effectués avec une montée et une descente. On trouve un comportement assez linéaire pour chaque procédé séparé, mais entre les deux, des écarts persistent. Il n’a pas été possible d’éclairer l’origine de ces écarts. -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 1er cycle 2eme cycle 2,8 3,3 3,8 4,3 4,8 -0,5 0 0,5 1 1,5 V (depl) V (force) 60 B. Bibliographie et Références B.1. Bibliographie B.1.1. Bases Théoriques de l’Expérience Laurence BODELOT : Etude couplée des champs thermiques et cinématiques à l’échelle de la microstructure des matériaux métalliques. Thèse de doctorat. Université des Sciences et Technologie de Lille I. 2008. Romain DESBATS : Réalisation d’essais sous vide sur micromachine de traction avec de mesures optiques dans le visible et l’infrarouge. Rapport du projet IMPACT. École Centrale de Lille. 2012. B.1.2. Technique du Vide Jean LECLERC : Techniques du Vide – Introduction. Techniques de l’Ingénieur – traité de Génie Mécanique. 1997. Jean LECLERC : Nature et Qualité du Vide. Techniques de l’Ingénieur – traité de Génie Mécanique. 1997. Jean LECLERC : Vide et Environnement. Techniques de l’Ingénieur. 1983. Louis MAURICE : Pompes à Vide. Techniques de l’Ingénieur. 1983. B.1.3. Technique des Assemblages Gilbert DROUIN, Michel GOU, Pierre THIRY, Robert VINET : Éléments de Machines. Éditions de l’École Polytechnique de Montréal. 1986. Michel AUBLIN et all. : Systèmes Mécaniques. Éditions DUNOD. 2004. B.1.4. Technique des Soudures Michel COLOMBIÉ et coll. : Matériaux Industriels – Matériaux Métalliques. Éditions DUNOD. 2000. 61 B.2. Indice des Images Figure 1 – De gauche à droite : principe de base et montage de Mlle. Bodelot pour mesure couplée des champs cinématiques et thermiques. (Figures issues des travaux de Mlle. Bodelot et M. Desbats) ............................................................................................................................... 7 Figure 2 – Montage de M. Desbats pour la mesure couplée des champs cinématiques et thermiques. (Figure issue de la CAO de M. Desbats). ................................................................... 8 Figure 3 – De gauche à droite, de haut en bas : portique actuel, détail du dispositif de balayage, traverses du portique à garder. .................................................................................................. 11 Figure 4 – Bouchon de câblage de la micromachine, intégrable dans la nouvelle conception. . 12 Figure 5 – De gauche à droite : micromachine en verticale, détail des mors de serrage, détail de la vis de déplacement et capteur LVDT. ...................................................................................... 12 Figure 6 – À gauche, montage de Mlle. Bodelot, à droite, montage de M. Desbats. (Figures issues des travaux de Mlle. Baudelot et M. Desbats). ................................................................. 13 Figure 7 – Aspect générale de la conception de M. Desbats. (Figure issue des travaux de M. Desbats). ...................................................................................................................................... 13 Figure 8 – De gauche à droite : placement de la micromachine sur sa position exacte ; réglage optique par le biais d’un corps noir ; rayonnement du système vers les capteurs. (Figures issues des travaux de M. Desbats). ........................................................................................................ 14 Figure 9 – À gauche, champ de déplacements sur la paroi gauche, à droite, contraintes de Von Mises. .......................................................................................................................................... 18 Figure 10 – À gauche, champ de déplacements sur le couvercle à géométrie originale ; à droite, contraintes de Von Mises. ........................................................................................................... 19 Figure 11 – À gauche, champ de déplacements sur le couvercle à géométrie originale ; à droite, contraintes de Von Mises. ........................................................................................................... 20 Figure 12 - À gauche, champ de déplacements sur le couvercle à géométrie originale ; à droite, contraintes de Von Mises. ........................................................................................................... 20 Figure 13 – Vue globale de l’enceinte, avec les portes ouvertes. ............................................... 22 Figure 14 – De gauche à droite : placement du miroir ; plan de couvercle. ............................... 22 Figure 15 – Vue globale de l’enceinte. ........................................................................................ 24 Figure 16 – À gauche, déplacements sur un ensemble paroi-porte ; à droite, déplacements du couvercle renforcé. ..................................................................................................................... 26 Figure 17 – À gauche, contraintes sur un ensemble paroi-porte ; à droite, contraintes du couvercle renforcé. ..................................................................................................................... 27 Figure 18 - Esquisse des rayonnements : en rouge, image radiée directement de l’éprouvette ; en bleu clair, cône de rayonnement direct sur le miroir ; en bleu foncé moyen, cône de rayonnement vers l’intérieur du petit espace ; en bleu très foncé, zones de rayonnement direct impossible. .................................................................................................................................. 28 Figure 19 – Placement des composants sur une plaque d’aluminium de 2 m2. ......................... 31 Figure 20 – Vue d’une paroi latérale. Le chanfrein sert comme caniveau de soudure. Les perçages à droite permettent l’ancrage des charnières. ............................................................ 32 Figure 21 – À gauche, côté intérieur de une porte, avec son centrage ; à droite, côté extérieur, avec les perçages de fixation des charnières. ............................................................................. 32 Figure 22 – De gauche à droite, d’haut en bas : placement du miroir, vue éclatée du placement du miroir, plan de couvercle. ...................................................................................................... 33 62 Figure 23 – Détail des caniveaux de soudure, en forme de chanfrein aux points de contact entre les parois latérales. ............................................................................................................ 34 Figure 24 – En rouge, cordons de soudure sur le placement du miroir, reliant la plaquettehublot et la base usinée depuis un bloc brut. ............................................................................. 35 Figure 25 – À gauche, conception première du portique ; à droite, conception nouvelle. ........ 36 Figure 26 – Rail et système porteur Bosch. ................................................................................. 37 Figure 27 – Capteur LVDT sur la micromachine. ......................................................................... 40 Figure 28 – De gauche à droite : jauge de déformation ; jauge de compensation thermique ; ordinateur de contrôle et électronique des asservissements. ................................................... 41 Figure 29 – Détail de la géométrie du placement du miroir. ...................................................... 46 Figure 30 – Représentation des écarts de position en charge par rapport à la géométrie en repos. ........................................................................................................................................... 47 Figure 31 – Simulation d’un joint torique dans un logement infiniment rigide. Les valeurs au contact oscillent entre les 5 – 13 MPa. ....................................................................................... 50 Figure 32 – Tassement du joint de couvercle en exerçant une pression telle que le contact entre membrures est fait et l’écrasement est total. ................................................................... 51 Figure 33 – À gauche : efforts sur l’assemblage quand la pression interne est plus grande que la pression externe ; à droite, efforts sur l’assemblage si la pression interne est moindre que celle à l’extérieur. ................................................................................................................................ 51 Figure 34 – Éprouvette instrumentée pour capter des efforts en traction – compression. ....... 58