Brevet FR2890746A1 — publié le 20070316

L'invention est relative à un dispositif de traction in situ destiné à appareiller un dispositif de microscopie analytique, plus particulièrement microspectrométrie vibrationnelle, en vue de l'étude du comportement mécanique d'un échantillon lors de sa déformation. L'invention concerne le domaine des machines adaptables, notamment, sur les platines des microscopes optiques, des micro-spectromètres à infrarouge ou encore des micro-spectromètres Raman. Elle trouvera une application particulière pour l'étude d'échantillons minces polymères, se présentant sous la forme d'un gabarit, d'une éprouvette ou encore sous la forme de fibres. Aujourd'hui, dans le domaine des machines de déformation, on connaît des dispositifs de traction in situ équipés de deux mors venant en prise aux deux extrémités d'un échantillon. L'un au moins des deux mors est mobile en translation afin d'appliquer à une éprouvette un champ de sollicitation uniaxiale. Ces machines sont prévues principalement pour la déformation d'éprouvettes métalliques et ne permettent ainsi d'obtenir que de faibles taux de déformation. Par ailleurs, les machines existant sur le marché souffrent d'un manque de souplesse d'utilisation, ces dernières ne pouvant généralement qu'être pilotées seulement à vitesse constante et ceci pour une faible gamme de vitesse. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de traction qui pallie les inconvénients précités, notamment grâce à une structure peu encombrante, adaptable sur différentes platines à dispositif de microscopie. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de traction réalisé notamment à l'aide de composants mécaniques existant accessibles dans le commerce. D'autres buts de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. L'invention concerne un dispositif de traction in situ pour appliquer à un échantillon un champ de sollicitation uniaxiale, prévu pour être couplé à un dispositif de microscopie analytique, plus particulièrement microspectrométrie vibrationnelle, permettant ainsi l"observation du comportement de l'échantillon, notamment l'évolution des caractéristiques moléculaires via le spectre de vibration pendant la déformation, le dispositif comportant au moins: - des moyens de guidage en translation orientés suivant la direction du champ de sollicitation, -deux mors antagonistes, chacun porté, directement ou indirectement, par un bras mobile suivant la direction des moyens de guidage en translation, -des moyens moto-réducteurs, couplés et coopérant avec des moyens d'entraînement, pour transformer un mouvement de rotation en deux mouvements de translation de sens opposé, pour le déplacement de chacun desdits mors. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée des dessins en annexe qui en font partie intégrante et parmi lesquels: - la figure 1 illustre, en vue de dessus, un dispositif de traction in situ conforme à l'invention, - la figure 2, illustre schématiquement l'architecture de l'unité logique de traitement pour la commande du dispositif de traction, et l'acquisition des données de mesure, - la figure 3 est une vue du dispositif de traction tel qu'illustré à la figure 1, les mors en positions écartées, - la figure 4 est un exemple du panneau de commande du dispositif de traction. L'invention concerne un dispositif de traction 1, in situ, pour appliquer à un échantillon 2 un champ de sollicitation uniaxiale. Un tel dispositif est prévu pour être couplé, à un dispositif de microscopie analytique, plus particulièrement microspectrométrie vibrationnelle, permettant ainsi l'observation du comportement de l'échantillon, notamment l'évolution des caractéristiques moléculaires via le spectre de vibration pendant la déformation. Selon l'invention, le dispositif comporte au moins: - des moyens 5 de guidage en translation orientés suivant la direction des champs de sollicitation, - deux mors 3 antagonistes, chacun porté, directement ou indirectement, par un bras 4, 41, 42 mobile suivant la direction des moyens 5 de guidage en translation, - des moyens moto réducteurs 6, couplés et coopérant avec des moyens d'entraînement 7, pour transformer un mouvement de rotation en deux mouvements de translation de sens opposé, pour le déplacement de chacun desdits mors 3. Aussi, le dispositif de traction, conforme à l'invention, permet un étirage symétrique de l'échantillon, le milieu de l'éprouvette restant, lors de la déformation de l'éprouvette centré au niveau des moyens de lecture du dispositif de microscopie, notamment à l'aplomb et en-dessous de l'optique d'un microscope. Ces moyens d'entraînement 7 peuvent être constitués par deux vis à billes 71, 72 précontraintes et munies d'écrous. Lesdits écrous 73, 74 entraînent respectivement lesdits bras 4, 41 mobiles. Lesdites vis 71, 72 sont assujetties angulairement, l'une à l'autre, au moyen d'engrenages, notamment par l'intermédiaire de deux pignons à denture droite. Lesdits pignons sont identiques et engrènent l'un avec l'autre, chacun porté par l'une des vis. On a obtenu de bons résultats avec des vis à billes commercialisées par la Société RELIANCE dont leur capacité de charge admissible est avantageuse pour une vue de faible dimension (par exemple 6 mm de diamètre - pas de vis 1 mm). Lesdites vis à billes 71, 72 sont avantageusement guidées en 2890746 4 rotation, notamment au niveau des flancs 29 par des roulements à rotules, afin d'éviter le flambage desdites vis. Les flancs 29 présentent notamment chacun au moins deux alésages destinés à constituer un logement pour la réception des roulements, les alésages étant de forme circulaire. Telle qu'illustrée sur la figure, la sortie des moyens moto réducteurs entraîne en rotation un engrenage, notamment un pignon 32 à denture droite, sensiblement identique aux pignons 15 à denture droite desdites vis 71, 72. Le pignon 32 des moyens moto réducteurs 6 engrène avec un pignon identique 31, ce dernier engrenant à son tour avec l'un des pignons 15 desdites vis. Les quatre pignons 32, 31, 15 sont situés dans un même plan vertical et permettent de transmettre le mouvement de rotation en sortie des moyens moto réducteurs auxdites vis sans amplification ni réduction de la vitesse angulaire. Les bras 4, 41, 42 mobiles sont portés et guidés par des chariots aptes à coopérer avec une glissière à rouleaux 51. Les chariots sont avantageusement précontraints, permettant ainsi un guidage sans frottement et sans oscillation. Cela étant, le dispositif de traction de l'invention est appareillé et présente notamment au moins une cellule de force 10 pour la mesure des efforts sur l'échantillon 2 et au moins un capteur de vitesse angulaire 11 couplé aux moyens moto-réducteurs 6. Par ailleurs, l'un des bras mobiles est composé, d'une part, d'un élément suiveur 41 entraîné par les moyens d'entraînement 7 et notamment l'un des écrous 74, et d'autre part, d'un chariot libre 42 portant l'un des mors 3, ledit élément suiveur 41 tirant le chariot libre 42 par l'intermédiaire d'une cellule de force 10. Les moyens moto réducteurs 6 sont constitués, par exemple, par un moteur électrique 8 notamment couplé à au moins un étage de réduction 9 de type planétaire. La sortie du moteur électrique 8 est pourvue de moyens pour pouvoir être couplée à un capteur de vitesse angulaire 11, notamment constitué par une génératrice tachymétrique à courant continu. Avantageusement, les composants mécaniques, à savoir les moyens moto réducteurs comprenant le moteur électrique, l'étage de réduction, voire la génératrice tachymétrique, le train d'engrenage 32, 31, 15, les vis à billes ainsi que la glissière à rouleaux sont fixés à une même platine 30. Les bras 4, 41, 42 mobiles portant les mors 3 antagonistes font saillie en avant de ladite platine 30 afin de créer un passage libre en-dessous et au-dessus de l'éprouvette. Ce dispositif trouvera une application particulière pour la déformation d'échantillons de comportement polymère, notamment des 15 polymères semicristallins tels que le polyvinyle de difluoré (PVDF) Lesdits moyens 5 de guidage et lesdits moyens d'entraînement, tels que les vis à billes, permettront avantageusement de faire subir aux échantillons des taux de déformation de l'ordre de 600 % et ainsi d'obtenir leur rupture. Pour un dispositif de microscopie en infrarouge par transmission, l'échantillon pourra être d'épaisseur comprise entre 30 et 50 microns. Dans le cas d'un dispositif de microscopie Raman, l'échantillon pourra mesurer plusieurs centaines de microns d'épaisseur. La capacité de la jauge de la cellule de force choisie est supérieure à la contrainte à la rupture de l'échantillon. Trois gammes de cellules de force peuvent être choisies, par exemple 5, 10, et 50 Newtons. On a obtenu de bons résultats en utilisant des capteurs provenant de la Société ENTRAN. L'espace libre autour du plan de focalisation commun au microscope sera de l'ordre de 25 mm, lesdits mors n'entrant pas dans le plan 25 30 focal. Le moteur pourra avantageusement présenter les caractéristiques suivantes: - pas de commutation électronique fournissant une tension parasite minimisée, - pas de couple de frottement induisant une grande linéarité de la courbe moteur, - un rendement près de 87 %. Le capteur de vitesse, notamment la génératrice tachymétrique à courant continu, pourra fournir une tension de sortie de l'ordre de 0,52 volts/1000 tours/min. Le capteur peut être connecté à un contrôleur et asservi par un programme de pilotage de la platine. Les valeurs de sortie de la génératrice sont utilisées pour contrôler la vitesse du moteur pendant l'expérimentation. Le moteur électrique peut engendrer une vitesse de rotation en sortie comprise entre 100 tours/min et 3.000 tours/min. Selon un premier mode de réalisation, le moteur, comprenant un étage de réduction de rapport 1/11200, permettra d'obtenir des grandes vitesses de déformation comprises entre 50 micromètres/min et 2,7 mm/min. Selon un autre mode de réalisation, le moteur est couplé à un étage de réduction de rapport 1/115.200, pour permettre d'obtenir des petites vitesses comprises entre 1 micromètre/min et 26 micromètres/min. Le dispositif peut présenter en outre, une unité logique de traitement présentant des moyens pour asservir les mors 3 à vitesse constante, ou encore pour réaliser un asservissement à effort constant sur l'échantillon 2 du début de la traction jusqu'à la rupture de l'échantillon. Le dispositif de traction peut être notamment commandé via une interface d'acquisition piloté par un programme développé avec le logiciel de programmation connu sous le nom LABVIEW. L'unité logique de traitement gère les informations de contrôle en temps réel. L'unité logique de traitement permet notamment de choisir quatre modes de commande du dispositif à savoir: - déformation à vitesse constante, - déformation sans maintien de contrainte, - déformation avec maintien de contrainte automatique, - déformation en pourcentage ou à taux de déformation préétablie. Un exemple d'une architecture de l'unité logique de traitement pour la commande du dispositif in situ et l'acquisition des données de mesure est illustré à la figure 2. L'unité logique de traitement comprend un ordinateur connecté à une carte d'acquisition PC, notamment de la Société National Instruments. La carte d'acquisition communique avec l'ordinateur et avec un boîtier faisant interface avec le dispositif de traction. Le boîtier interface comprend notamment un module pour la 15 commande du moteur, notamment de la marque Maxon et un module conditionneur de signaux électriques. Le module conditionneur relie le capteur de force et la carte d'acquisition et permet de transformer les signaux de mesure issus du capteur de force, encore appelé cellule de force, en en des signaux de format compatible avec la carte d'acquisition. Le module pour la commande du moteur et le module conditionneur sont connectés à une alimentation, notamment de la marque Maxon. Un exemple de panneau de commande, programmé sous 25 LABVIE W est illustré à la figure 4. Le panneau peut présenter un graphique pour le tracé de courbes telles que, par exemple, la mesure de l'effort en fonction du temps, la mesure de l'effort en fonction du déplacement, la mesure du déplacement en fonction du temps... Ce panneau présente une pluralité de champs d'entrée permettant de configurer les mesures et de choisir l'un des modes de commande du dispositif de traction. Le panneau présente, notamment, un champ de vitesse de la déformation pour le mode de déformation à vitesse constante (a), un champ force à appliquer pour la déformation avec maintien de contrainte (c). Pour la déformation avec maintien de contrainte, la vitesse est imposée jusqu'à ce que l'échantillon soit soumis au niveau de force imposé. La vitesse est ensuite asservie avec la valeur de consigne de force prédéfinie. Pour le mode de déformation sans maintien de contrainte (b), la vitesse est également imposée. Un bouton d'arrêt permet d'arrêter la traction, sans maintenir de contrainte. Les mors peuvent ainsi se déplacer librement, permettant le relâchement de l'échantillon. Le mode de déformation en pourcentage (d) permet d'effectuer des mesures jusqu'à un certain taux de déformation de l'échantillon. Le panneau présente donc un champ d'entrée de la longueur initiale de l'échantillon et un champ d'entrée du taux de déformation à atteindre. Bien entendu, seuls les champs nécessaires à l'expérimentation sont remplis, les autres restant vides. Le panneau peut permettre également d'enregistrer d'autres paramètres d'expérimentation, tels que la largeur et l'épaisseur de l'échantillon 20 ou encore la température ambiante lors des mesures. Aussi, le dispositif de traction permettra d'obtenir une gamme de vitesses et de forces variables sur une gamme très étendue: pour des vitesses sur plus de trois décades et pour des forces de 0 à 1 Newton jusqu'à 50 Newtons. Le dispositif pourra avantageusement être adapté à différents appareillages scientifiques d'analyses de type microscope et microspectromètre Raman et infrarouge. L'ensemble microspectromètre/dispositif de traction est ainsi capable d'effectuer simultanément, l'acquisition des données (image, spectre), l'enregistrement de l'image optique associée, et la mesure en temps réel de la courbe contrainte déformation. Naturellement, d'autres modes de mise en oeuvre, à la portée de l'homme de l'art, auraient pu être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de traction (1) in situ pour appliquer à un échantillon (2) un champ de sollicitation uniaxiale, prévu pour être couplé à un dispositif de microscopie analytique, plus particulièrement microspectrométrie vibrationnelle, permettant ainsi l'observation du comportement de l'échantillon, notamment l'évolution des caractéristiques moléculaires via le spectre de vibration pendant la déformation, le dispositif comportant au moins: - des moyens (5) de guidage en translation orientés suivant la direction du champ de sollicitation, - deux mors (3) antagonistes, chacun porté, directement ou indirectement, par un bras (4, 41, 42) mobile suivant la direction des moyens (5) de guidage en translation, - des moyens moto-réducteurs (6), couplés et coopérant avec des moyens d'entraînement (7), pour transformer un mouvement de rotation en deux mouvements de translation de sens opposés, pour le déplacement de chacun desdits mors (3). 2. Dispositif de traction (1) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif présente une cellule de force (10) pour la mesure des efforts sur l'échantillon (2) et un capteur de vitesse angulaire (11) couplé aux moyens moto réducteurs (6). 3. Dispositif de traction (1) selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'entraînement (7) sont constitués par deux vis à billes (71, 72) précontraintes et munies d'écrous, lesdits écrous (73, 74) entraînant respectivement lesdits bras (4, 41) mobiles. 4. Dispositif de traction (1) selon la revendication 3, dans lequel lesdites vis à billes (71, 7) sont assujetties angulairement, l'une à l'autre, aux moyens d'engrenage (15). 5. Dispositif de traction (1) selon la revendication 3, dans lequel les vis à billes (71, 7) sont guidées en rotation par des roulements à rotule afin d'éviter le flambage desdites vis. 6. Dispositif de traction (1) selon la revendication 1, dans lequel les bras (4, 41, 42) mobiles sont portés et guidés par des chariots aptes à coopérer avec une glissière à rouleau (51). 7. Dispositif de traction (1) selon la revendication 6, dans lequel l'un des bras mobiles est composé, d'une part, d'un élément suiveur (41) entraîné par les moyens d'entraînement (7) et, d'autre part, d'un chariot libre (4) portant l'un des mors (3), ledit élément suiveur (41) tirant le chariot libre (42) par l'intermédiaire d'une cellule de force (10). 8. Dispositif de traction (1) selon la revendication 1, dans lequel les moyens moto réducteurs (6) sont constitués par un moteur électrique (8) couplée à au moins un étage de réducteur (9) de type planétaire. 9. Dispositif de traction (1) selon la revendication 8, dans lequel la sortie du moteur électrique (8) est pourvue de moyens pour être couple à un capteur de vitesse angulaire (11) de type génératrice. 10. Dispositif de traction (1) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif présente en outre une unité logique de traitement présentant de moyens pour asservir les mors (3) à vitesse constante, ou encore pour réaliser un asservissement à effort constant sur l'échantillon (2) du début de la traction jusqu'à la rupture de l'échantillon.