Brevet FR3050488A1 — publié le 20171027

ACTIONNEUR ROTATIF UTILISANT DES FILS D'ALLIAGE À MÉMOIRE DE FORME EN TRACTION DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine de la mécanique, et plus particulièrement celle utilisée dans les domaines aéronautique ou aérospatial. En particulier, l'invention a pour objet un actionneur rotatif utilisant des fils d'alliage à mémoire de forme. ÉTAT DE LA TECHNIQUE L'utilisation d'un actionneur rotatif en alliage à mémoire de forme est intéressante dans un certain nombre d'applications, dans lesquelles la force à exercer est importante, alors même que la place disponible est faible, et que les sources d'énergie dont on dispose sont limitées le plus souvent à de l'énergie électrique. US5396769A décrit un actionneur rotatif à alliage de forme, utilisant deux fils séparés enroulés chacun sur un enrouleur, l'un des fils étant en état pré-étiré, l'autre fil étant en état tendu, et l'actionneur fonctionnant au moyen d'un chauffage différentié de chaque enrouleur, visant à faire changer d'état le fil à mémoire de forme. Toutefois, cette solution présente un inconvénient, qui est que lors de son utilisation, une friction importante apparait du fait du mouvement relatif entre l'enrouleur et le fil. 11 en résulte une perte d'efficacité importante. Par ailleurs, cette friction est cumulative, et il existe un nombre de spires maximum au-delà duquel les spires supplémentaires ne contribuent plus au travail de l'actionneur. La présente invention a pour objectif de proposer un actionneur rotatif qui ait un coefficient de friction particulièrement réduit. 3050488 2 DESCRIPTION DE L'INVENTION Ainsi, l'invention concerne un actionneur qui comprend au moins un fil en alliage à mémoire de forme. Ce fil est formé en enroulement ou ressort hélicoïdal dans son état austénitique, et est allongé en traction, par tout moyen connu de l'homme du métier lors 5 du passage en état martensitique ; du fait de la déformation en allongement, il gagne des spires ; le ressort en état martensitique est enroulé sous une forme hélicoïdale sur un mandrin cylindrique, dont le diamètre est ajusté à celui du ressort de telle manière que le mandrin est apte à maintenir le diamètre et le pas d'enroulement du ressort ; dans un mode de réalisation, une extrémité du ressort est solidarisée à un point fixe du mandrin ou à un 10 bâti, et l'autre extrémité est fixée au mécanisme à entraîner ; des moyens de chauffage sont prévus pour faire passer l'alliage à mémoire de forme de son état martensitique à son état austénitique. Lorsque l'actionneur est chauffé, du fait que l'enroulement en alliage à mémoire de forme est maintenu à son diamètre d'enroulement et à son pas d'enroulement par le mandrin, sur lequel il est disposé, le ressort n'a pas d'autre solution que de se 15 contracter en longueur en suivant les spires de l'enroulement. De ce fait, l'extrémité fixée au mécanisme à entrainer, en se rétractant, entraîne en rotation ledit mécanisme. Ainsi, l'actionneur selon l'invention est un actionneur rotatif apte à entrainer un mécanisme, comprenant un mandrin et au moins un fil d'alliage à mémoire de forme caractérisé en ce que : 20 ledit fil est enroulé sous une forme hélicoïdale pour former un enroulement hélicoïdal comprenant deux extrémités, puis ledit enroulement hélicoïdal mis au contact dudit mandrin, ledit fil ayant subi une déformation en allongement préalablement à son enroulement, l'une des extrémités dudit enroulement hélicoïdal est solidarisée à un point fixe, et son autre extrémité est fixée au mécanisme à entraîner, ledit mandrin, étant apte à maintenir le diamètre d'enroulement et le pas d'enroulement dudit fil, et comprenant des moyens d'exercer une friction réduite sur le fil lors du déplacement de ce dernier, l'actionneur comprenant en outre des moyens de chauffage pour faire passer le fil en alliage à mémoire de forme de son état martensitique à son état austénitique. 3050488 3 Selon un mode de réalisation de l'invention, l'alliage à mémoire de forme est choisi parmi les alliages à base de TiNi, tels que TiNi, TiNiCu, TiNiFe, TiNiPd, TiNiZr, TiNiNb, TiNiHf, ou à base cuivreuse, tels que CuZnAI, CuAIBe, CuAIMn, CuAINI, de structure monocristalline ou polycristalline. 5 Selon un mode de réalisation, l'actionneur comprend au moins deux fils. Selon un autre mode de réalisation, l'actionneur comprend 3, 4, 5 fils. Suivant un mode de réalisation, des plots de raccordement entre les extrémités des tronçons de fil sont prévus à l'extérieur du mandrin. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le mandrin est une pièce monobloc 10 cylindrique, dans la périphérie duquel peuvent être ménagées des logements ou encoches. Selon un second mode de réalisation de l'invention, le mandrin comprend ou est constitué par une pluralité de disques coaxiaux indépendants les uns des autres et montés sur un même axe de rotation. Dans un mode de réalisation, les disques sont identiques, en diamètre et en épaisseur. L'épaisseur des disques peut varier entre plusieurs pas 15 d'enroulement du ressort et une fraction de ce pas suivant l'optimisation recherchée entre une plus grande simplicité et une meilleure performance. Plus le mandrin comporte de disques, plus le ressort peut se contracter librement. Dans un mode de réalisation, le mandrin comprend de 5 à 100, de préférence 8 à 50 disques. Le mandrin et/ou les disques le constituant sont avantageusement réalisés en une matière 20 électriquement isolante. Suivant un troisième mode de réalisation, le mandrin comprend ou est constitué par un cylindre ou une cage cylindrique dans la paroi périphérique de laquelle sont disposées, régulièrement réparties sur sa périphérie, des séries d'aiguilles, orientées axialement. Chaque aiguille est un petit cylindre monté dans un logement conçu à cet effet dans la 25 cage cylindrique. Chaque aiguille pivote librement autour de son axe dans son logement ; le ressort hélicoïdal est monté autour de la cage, en appui sur tout ou partie des aiguilles ; les aiguilles sont maintenues en place par la cage ; dans un mode de réalisation, les extrémités de la cage sont obturées par des disques aptes à servir au montage du mandrin 3050488 4 sur un support. Compte tenu de la ponctualité des appuis et de la liberté de rotation des aiguilles, le couplage des efforts de friction est pratiquement totalement supprimé. Pour pouvoir déclencher l'actionneur, il convient de réaliser l'échauffement de l'alliage à mémoire de forme. Dans un mode de réalisation, la fonction de réchauffage est intégrée, 5 afin de limiter au maximum les déperditions de chaleur dans les autres composants de l'actionneur rotatif. Dans un premier mode de réalisation, le chauffage direct d'un composant en alliage à mémoire de forme par passage d'un courant électrique nécessite le recours à une alimentation électrique de très basse tension (généralement inférieure à 1 volt) et de forte 10 intensité (par exemple 10 à 20 Ampères). Dans un second mode de réalisation, une telle alimentation électrique n'est pas disponible, et l'on doit recourir à l'alimentation également utilisée pour d'autres dispositifs électriques, comme des moteurs électromagnétiques. Différentes possibilités peuvent alors être envisagées. 15 Dans une première variante, le fil en alliage à mémoire de forme est entouré d'un enroulement à spires jointives ou non, d'un fil métallique recouvert d'isolant électrique à faible coefficient de frottement, relié à une source d'alimentation en courant électrique. Dans une seconde variante, le fil en alliage à mémoire de forme est revêtu de trois couches superficielles : une couche d'un polymère électriquement isolant et à faible coefficient de 20 frottement, un film ou un enroulement de métal résistif relié à une source d'alimentation en courant et un film de polymère électriquement isolant. La couche de polymère entre fil en alliage à mémoire de forme et métal résistif est avantageusement fixée au fil ou au métal respectivement, et est mécaniquement libre de glisser sur l'autre, évitant ainsi au polymère de subir des contraintes de cisaillement dues 25 à la forte déformation du fil en alliage à mémoire de forme alors que le film ou l'enroulement métallique ne se déforme que faiblement. Le chauffage du composant en alliage à mémoire de forme est obtenu par passage du courant électrique dans la couche intermédiaire métallique. 3050488 5 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le fil en alliage à mémoire de forme est tubulaire, c'est-à-dire qu'il comprend un orifice sur toute sa longueur, dans lequel est placé une résistance électrique isolée par un polymère électriquement isolant et à faible coefficient de frottement. 5 Selon un autre mode de réalisation de l'invention, plusieurs fils en alliage à mémoire de forme sont tressés ensemble autour d'une résistance électrique isolée par un polymère électriquement isolant et à faible coefficient de friction. 11 est avantageux que le polymère électriquement isolant résiste à la fois à des températures relativement élevées de plus 150 à plus 250°C, à des pressions importantes, 10 et possède un faible coefficient de frottement. Dans un mode de réalisation, le polymère est du polytrétrafluoréthylène ou du polyoxyméthylène. Dans un premier mode de réalisation, l'actionneur rotatif décrit ci-avant peut être utilisé une fois. Dans un second mode de réalisation, par l'adjonction d'un composant supplémentaire, que 15 l'on désignera par élément contre-ressort, on obtient un actionneur pouvant fonctionner plusieurs fois sans avoir à redéformer à chaque fonctionnement le fil en alliage à mémoire de forme à l'état martensitique, ce qui est avantageux. On parle alors d'un actionneur multicoups. L'élément contre-ressort est constitué par exemple par un ressort dont une extrémité est reliée au à l'extrémité fixe du fil et l'autre extrémité est reliée au point mobile 20 de l'actionneur et au mécanisme à actionner de telle façon qu'il exerce sur le fil en alliage à mémoire de forme une traction tendant à l'allonger. Lorsque le fil en alliage à mémoire de forme est chauffé ce dernier tend l'élément contre-ressort et actionne le mécanisme. Au refroidissement, l'élément contre-ressort ramène le fil en alliage à mémoire de forme dans sa forme martensitique en l'allongeant. Ainsi, par une succession de chauffages et 25 de refroidissements, l'extrémité mobile du fil en alliage à mémoire de forme entraîne en rotation alternativement dans un sens puis dans l'autre sens un mécanisme. Suivant la force exercée par l'élément contre-ressort, l'actionneur multicoups ainsi constitué pourra exercer un couple soit au chauffage, soit au refroidissement, soit au chauffage et au refroidissement. 3050488 6 L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un actionneur rotatif suivant l'invention dans lequel : on réalise un enroulement hélicoïdal d'au moins un fil en alliage à mémoire de forme, sous sa forme austénitique, pour obtenir un ressort de n spires de diamètre 5 D, on allonge mécaniquement chaque fil par un effort de traction, de manière que les spires du ressort ne changent ni de diamètre, ni de pas d'enroulement, le ressort gagnant un nombre de spires An = /.n, où / est la déformation d'allongement du fil, et la longueur du fil passant de L pour la forme austénitique à L + AL = (1 + 10 /) L pour la forme martensitique dans laquelle se trouve alors le fil, on monte l'enroulement sur un mandrin de même diamètre que celui du ressort, on fixe l'une des extrémités du ressort à un point fixe, et l'autre extrémité de l'enroulement au mécanisme à actionner. 15 DESCRIPTION SUCCINCTE DES FIGURES L'invention se comprendra mieux à la lecture de la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention, qui se lit au regard des figures et illustre non limitativement l'invention. La Figure 1 est une vue de côté d'un premier actionneur selon l'invention. 20 La Figure 2 en est une vue de dessus dudit premier actionneur selon l'invention. La Figure 3 est une vue de côté d'un second actionneur selon l'invention. La Figure 4 en est une vue de dessus dudit second actionneur selon l'invention. Les Figures 5 à 7 sont trois vues en coupe transversale d'un fil en alliage à mémoire de forme et du dispositif de chauffage associé. 25 La Figure 8 est une vue en coupe longitudinale d'un actionneur selon l'invention équipé d'un contre-ressort. La Figure 9 est une vue de dessus de l'actionneur de la Figure 8. 3050488 7 DESCRIPTION DÉTAILLÉE L'actionneur représenté sur les Figures 1 et 2 comprend un enroulement hélicoïdal (également appelé ressort) 2 réalisé à partir d'un fil en alliage à mémoire de forme. Cet 5 enroulement repose sur un mandrin constitué par une pluralité de disques 3 disposés coaxialement, indépendamment les uns des autres, sur un même axe de rotation 4. Dans le mode de réalisation où l'enroulement est constitué à partir de plusieurs fils, il est prévu des plots 5 permettant de raccorder les tronçons de fils tant d'un point de vue de la transmission du couple que du raccordement électrique. Grâce au découpage du mandrin 10 en disques libres de tourner les uns par rapport aux autres, le couplage des efforts de friction est en grande partie supprimé. Les Figures 3 et 4 représentent un deuxième mode de réalisation de l'actionneur selon l'invention, dans lequel le mandrin supportant l'enroulement 2 est constitué par une cage cylindrique 6, dans la paroi périphérique de laquelle ont disposées des aiguilles 7. Ces 15 aiguilles 7 régulièrement réparties sur la périphérie de la cage sont constituées chacune par un petit cylindre monté librement pivotant autour de son axe dans chacun des logements ménagés à cet effet dans la cage cylindrique 6. Comme montré notamment sur la Figure 3, le long d'une même génératrice de la cage cylindrique 6 sont alignées une pluralité d'aiguilles 7. La cage 6 est équipée à ses extrémités de deux disques 8 présentant 20 des alésages coaxiaux 9 servant au montage du mandrin sur un support. L'enroulement hélicoïdal en alliage à mémoire de forme prend appui ponctuellement sur les aiguilles, de telle sorte que le couplage des efforts de friction est pratiquement totalement supprimé. La Figure 5 représente un fil 10 en alliage à mémoire de forme revêtu de trois couches superficielles : un polymère 12 électriquement isolant et à faible coefficient de friction, 25 un film 13 ou un enroulement de métal résistif, et un film 14 de polymère électriquement isolant pouvant également présenter un faible coefficient de frottement. Le polymère est, par exemple, du polytétrafluoréthylène, ou du polyoxyméthylène. La Figure 6 représente un élément en alliage à mémoire de forme 15 se présentant sous forme d'un tube dont l'espace intérieur est occupé par une résistance électrique 16, avec 3050488 8 interposition d'un polymère 17 électriquement isolant et à faible coefficient de frottement. La Figure 7 représente un câble constitué par plusieurs fils 18 en alliage à mémoire de forme tressés ensemble autour d'une âme 19 constituée par une résistance électrique, isolée par un polymère 20 électriquement isolant et à faible coefficient de frottement. 5 Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant un actionneur rotatif en alliage à mémoire de forme, de constitution simple et possédant une grande efficacité, tant en surmontant le problème des frottements de l'enroulement hélicoïdal, qu'en surmontant le problème posé par le chauffage de l'élément en alliage à mémoire de forme en vue d'obtenir sa déformation. 10 Ces caractéristiques permettent de réaliser avantageusement un actionneur de taille réduite par rapport à des actionneurs rotatifs utilisant des barreaux en alliage à mémoire de forme en torsion ou des plaques d'alliage à mémoire de forme en flexion qui occuperaient un volume plus important pour un couple et un angle de rotation donné. Dans un premier mode de réalisation, l'actionneur rotatif décrit ci-avant peut être utilisé 15 une fois. Dans un second mode de réalisation, par l'adjonction d'un composant supplémentaire, que l'on désignera par élément contre-ressort, on obtient un actionneur pouvant fonctionner plusieurs fois sans avoir à redéformer à chaque fonctionnement le fil en alliage à mémoire de forme à l'état martensitique, ce qui est avantageux. On parle alors d'un actionneur 20 multicoups. L'élément contre-ressort est constitué par exemple par un ressort spiral 22 dont une extrémité est reliée au point fixe 23 de l'actionneur et l'autre extrémité est reliée au point mobile 24 de l' actionneur et au mécanisme à actionner de telle façon qu'il exerce sur le fil en alliage à mémoire de forme une traction tendant à l'allonger. REVENDICATIONS1. Actionneur rotatif (1) apte à entrainer un mécanisme, comprenant un mandrin et au moins un fil d'alliage à mémoire de forme caractérisé en ce que : ledit fil est enroulé sous une forme hélicoïdale pour former un enroulement hélicoïdal (2) comprenant deux extrémités, puis ledit enroulement hélicoïdal (2) mis au contact dudit mandrin, ledit fil ayant subi une déformation en allongement préalablement à son enroulement, l'une des extrémités dudit enroulement hélicoïdal (2) est solidarisée à un point fixe, et son autre extrémité est fixée au mécanisme à entraîner, ledit mandrin étant apte à maintenir le diamètre d'enroulement et le pas d'enroulement dudit fil, et comprenant des moyens d'exercer une friction réduite sur le fil lors du déplacement de ce dernier, l'actionneur comprenant en outre des moyens de chauffage pour faire passer le fil en alliage à mémoire de forme de son état martensitique à son état austénitique. 2. Actionneur rotatif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage à mémoire de forme est choisi parmi les alliages à base de TiNi, tels que TiNi, TiNiCu, TiNiFe, TiNiPd, TiNiZr, TiNiNb, TiNiHf, ou à cuivreuse, tels que CuZnAl, CuA1Be, CuA1Mn, CuA1Ni, de structure monocristalline ou polycristalline. 3. Actionneur rotatif (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le mandrin est constitué d'une pluralité de disques coaxiaux indépendants les uns des autres et montés sur un même axe de rotation ou d'un cylindre sur la périphérie duquel sont placées des aiguilles orientées axialement et capables de pivoter sur leur axe. 4. Actionneur rotatif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mandrin est constitué par une cage cylindrique (6) dans la paroi périphérique de laquelle sont disposées, régulièrement réparties sur sa périphérie, 3050488 10 des aiguilles (7) orientées axialement et constituées chacune par un petit cylindre monté librement pivotant autour de son axe dans chacun des logements ménagés à cet effet dans la paroi périphérique de la cage (6), l'enroulement hélicoïdal (2) étant monté autour de la cage cylindrique (6) en contact avec tout ou partie des aiguilles 5 (7), les extrémités de la cage cylindrique (6) étant obturées par des disques (8) servant au montage du mandrin sur un support. 5. Actionneur rotatif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le fil en alliage à mémoire de forme est entouré d'un enroulement à spires jointives ou non d'un fil métallique recouvert d'isolant électrique à faible coefficient 10 de frottement, relié à une source d'alimentation en courant électrique. 6. Actionneur rotatif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fil (10) en alliage à mémoire de forme est revêtu de trois couches superficielles : une couche (12) d'un polymère électriquement isolant, un film (13) de métal résistif relié à une source d'alimentation en courant et un film (14) de 15 polymère électriquement isolant. 7. Actionneur rotatif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le fil (15) en alliage à mémoire de forme est tubulaire, son espace intérieur étant occupé par une résistance électrique (16) isolée par un polymère (17) électriquement isolant et à faible coefficient de frottement. 20 8. Actionneur rotatif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que plusieurs fils (18) en alliage à mémoire de forme sont tressés ensemble autour d'une résistance électrique (19) isolée par un polymère (20) électriquement isolant et à faible coefficient de friction. 9. Actionneur rotatif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé 25 en ce qu'il comprend un élément contre-ressort (22) dont une extrémité est fixée à un point fixe (23) de l'actionneur et dont l'autre extrémité, fixée au point mobile (24) de l'actionneur, est reliée au mécanisme à actionner, de façon à exercer sur le fil en alliage à mémoire de forme une traction tendant à l'allonger. 3050488 11 10. Procédé de réalisation d'un actionneur rotatif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser un enroulement hélicoïdal (2) d'au moins un fil en alliage à mémoire de forme, sous sa forme austénitique pour obtenir n spires de diamètre D, à allonger mécaniquement chaque 5 fil par un effort de traction, de manière que les spires de l'enroulement ne changent ni de diamètre ni de pas d'enroulement, l'enroulement gagnant un nombre de spires An = Ln, où E est la déformation d'allongement du fil, et la longueur du fil passant de L pour la forme austénitique à L + AL = (1 + E) L pour la forme martensitique dans laquelle se trouve alors le fil, à monter l'enroulement sur un mandrin de même 10 diamètre, à fixer l'une des extrémités de l'enroulement à un point fixe, et à fixer l'autre extrémité de l'enroulement au mécanisme à actionner.