FR2756767A1 - Dispositif de prehension en materiau a memoire de forme et procede de realisation - Google Patents

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Yves Bellouard
Jacques Eric Bidaux
Thomas Sidler
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Abstract

L'invention a pour objet un dispositif de préhension et/ou de fixation (2) comportant un premier (4) et un second (6) éléments de préhension pouvant subir un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, l'ensemble des premier et second éléments étant réalisé en un matériau monobloc à mémoire de forme. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un matériau à mémoire de forme.

Description

DISPOSITIF DE PRéHENSION EN MATERIAU A MEMOIRE DE FORME
ET PROCEDE DE REALISATION
DESCRIPTION
Domaine technique
L'invention concerne le domaine des préhenseurs et/ou des dispositifs de fixation pour des objets de petites tailles, comprises sensiblement entre quelques dizaines de micromètres et quelques millimètres.
L'invention concerne également le domaine des matériaux à mémoire de forme, et la fabrication de dispositifs, en particulier de préhenseurs, à partir de ces matériaux.
L'invention trouve une application dans le domaine de la fabrication d'endoscopes, en particulier pour la préhension et/ou la manipulation de lentilles et/ou de microlentilles et/ou de fibres multicoeurs.
Art antérieur
Des préhenseurs mettant en oeuvre des matériaux à mémoire de forme sont connus par l'article de K.
Escher et al. intitulé "Robots grippers : An application of two way shape memory" paru dans Progres in Shape memory Alloys, S. Oucken Editor, DGM
Informationsgesellschaft Verlag, 1992, pages 301-316.
On connaît également de tels dispositifs par l'article de D. Grant paru dans IEEE International Conference on
Robotics and automation, 1995, intitulé "Design of
Shape Memory Alloy with High Strain and Variable
Structure Control", pages 2305-2312. Enfin, d'autres préhenseurs sont connus par l'article de K. Ikuta intitulé "Microminiature Shape Memory Alloy Actuator", paru dans IEEE, Int. Conf. On Robotics and Automation,
Cincinatti, 1990, pages 2156-2161.
Tous ces articles décrivent des préhenseurs de formes assez complexes, et dont la technique de fabrication est lourde et difficile à mettre en oeuvre.
En particulier, le dispositif décrit dans l'article de D. Grant est un exemple de préhenseur utilisant des fils en un matériau à mémoire forme comme actionneurs. Le dispositif décrit dans l'article de K.
Ikuta est aussi du type dans lequel des ressorts de rappel en un matériau à mémoire de forme sont utilisés, les branches du préhenseur étant par ailleurs en un matériau classique. Dans ces dispositifs, dans lesquels les parties "d'activation" sont en matériau à mémoire de forme, se pose le problème de réduire les frictions ou frottements dans les parties articulées : dans le cas de micropréhenseurs, ceci est un problème important, du fait de la petite taille des composants.
En outre, ces dispositifs nécessitent une phase délicate d'assemblage.
L'article de K. Escher décrit des préhenseurs dont seul un des éléments d'activation est en un matériau à mémoire de forme, ou bien un préhenseur dans lequel des bras sont en un matériau à mémoire de forme, ces bras ayant un aspect de fil torsadé monté sur un support. Un tel dispositif est très difficile à mettre en oeuvre dans le cadre d'une application industrielle, car il est très imprécis. De plus, un tel système est difficilement miniaturisable : il nécessite en effet un assemblage délicat.
Il est donc nécessaire de trouver un nouveau dispositif de préhension ou de fixation, en particulier adapté à la saisie d'objets de petite taille, de structure et d'assemblage plus simples que les dispositifs connus.
Il se pose également le problème de trouver des dispositifs de préhension et/ou de fixation permettant d'éviter ces problèmes de friction.
Exposé de l'invention
L'invention a pour objet un dispositif de préhension ou de fixation dont la structure est beaucoup plus simple que les dispositifs connus, et dans lequel les problèmes de friction ne se posent pas.
Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de préhension ou de fixation comportant un premier et un second éléments de préhension pouvant subir un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, l'ensemble des premier et second éléments étant réalisé en un matériau monobloc à mémoire de forme.
L'ensemble des premier et second éléments étant en un matériau monobloc, à mémoire de forme, aucun problème de friction ne se pose. Par ailleurs, la structure réalisée est simple.
Afin de réaliser un dispositif de préhension adapté à des objets de petite taille, l'amplitude du mouvement relatif des deux éléments est prévue comme étant au plus égale à quelques millimètres (par exemple 10 mm) ou au plus égale à 1 mm, ou au plus égale à 500 um, ou encore au plus égale à 100 pm.
De préférence, le dispositif de préhension est obtenu par découpe dans le plan d'une lame de matériau à mémoire de forme, le mouvement relatif ayant lieu dans ce plan.
On peut aussi prévoir une structure géométrique adaptée à une meilleure dissipation de l'énergie calorifique ou à un meilleur transfert thermique ainsi, les premier et second éléments peuvent être par exemple munis d'ailettes.
Le dispositif peut en outre comporter des moyens de manipulation ou de fixation ou de positionnement de l'ensemble des premier et second éléments, avec lesquels ils peuvent constituer un ensemble monobloc, constitué du même matériau à mémoire de forme.
Là encore, on peut prévoir une géométrie adaptée à un transfert thermique efficace (ailettes, excroissances, trous, ...etc.).
Ces moyens de manipulation peuvent être reliés à des moyens de contrôle de la température des premier et second éléments du dispositif de préhension : ceci permet de commander l'ouverture, ou la fermeture, de ce dispositif.
Ces moyens de contrôle peuvent être par exemple du type à effet Peltier.
L'invention concerne également un dispositif de manutention comportant un dispositif de préhension tel que décrit ci-dessus, ainsi que des moyens de commande des moyens de contrôle de la température des premier et second éléments, et des moyens de contrôle visuel de la position relative des premier et second éléments du dispositif de préhension.
Les procédés connus de préparation d'éléments à mémoire de forme sont incompatibles avec la réalisation de microsystèmes. Par ailleurs, les procédés de fabrication de couches minces ne permettent pas de réaliser des couches supérieures à 100 pm.
De plus, tous ces procédés font intervenir une opération de recuit de petits échantillons qui est une opération délicate, coûteuse et parfois longue. Par ailleurs, la production d'une grande quantité de pièces est difficile et les formes que l'on peut réaliser sont limitées.
Afin de résoudre ces problèmes, l'invention propose également un procédé de préparation d'un élément en un matériau à mémoire de forme, adapté en particulier à la réalisation du dispositif de préhension selon l'invention.
L'invention a donc pour objet un procédé de préparation d'un élément en un matériau à mémoire de forme comportant les étapes suivantes a) recuit d'un substrat du matériau à mémoire de forme,
puis b) découpe de l'élément dans le substrat.
Ce procédé permet d'obtenir n'importe quelle forme d'élément. Il permet par ailleurs de produire une très grande quantité de pièces pour une seule opération de recuit. Enfin, pour les microsystèmes, c'est le seul procédé qui permette d'obtenir des objets à mémoire de forme d'épaisseur importante, notamment supérieure à 100 pm.
L'étape de découpe peut être réalisée par laser ou par électroérosion ou encore par jet d'eau. De préférence, la découpe est réalisée de manière à ne pas perturber la structure microscopique du matériau du substrat obtenu après recuit : par exemple, elle est réalisée de manière à ne pas perturber la structure du substrat sur plus de 10 pm ou plus de 5 um au-delà de la découpe.
L'invention a également pour objet un procédé de manutention d'un objet comportant la saisie et le transport de l'objet à l'aide d'un dispositif selon l'invention. Cet objet peut être par exemple une lentille ou une microlentille.
Ce procédé est particulièrement intéressant dans le cas de la réalisation d'un assemblage fibre multicoeur (ou multifibre)-lentille, cet assemblage étant alors réalisé par déplacement et positionnement de la lentille, face à une extrémité de la fibre, conformément au procédé de manutention selon l'invention, puis par fixation, par exemple par collage, de la lentille sur l'extrémité de la fibre.
Ainsi, on évite tout contact entre la lentille et la main d'un opérateur, ce qui peut conduire à un ébrèchement de la lentille ou au dépôt de poussière à sa surface.
Brève description des figures.
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- les figures 1 à 3 représentent des préhenseurs selon l'invention, en forme d'anneau,
- la figure 4 est un dispositif pour le contrôle d'un préhenseur,
- la figure 5 représente schématiquement un endoscope,
- la figure 6 représente un autre exemple de préhenseur,
- les figures 7A à 7C représentent diverses étapes d'un procédé de fabrication selon l'art antérieur,
- les figures 8A à 8D représentent des étapes d'un procédé selon l'invention,
- la figure 9 est un schéma d'un dispositif de découpe par laser,
- les figures 10A et 10B représentent des dispositifs d'usinage par électroérosion.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
Un premier exemple d'un préhenseur selon l'invention va être décrit en liaison avec la figure 1.
Sur cette figure, le système de préhension est constitué d'un seul bloc en un matériau à mémoire de forme. Il se présente sous la forme d'une bague ouverte 2 comportant une première et une seconde branches 4, 6.
Cette forme présente l'intérêt de répartir les contraintes de façon uniforme dans la bague, et permet par ailleurs de saisir des objets avec des tolérances larges quant à leur diamètre (+50 um pour des lentilles de 250 pm de diamètre). Le rayon R de la bague dépend de la plage de températures dans laquelle le système se trouve. Ainsi, pour une température T2, le système s'ouvre et permet l'insertion, ou la prise d'un objet.
Pour une température T1, le système se referme sur l'objet, assurant ainsi la fonction de fixation ou de préhension selon le cas.
Le matériau choisi peut être par exemple un alliage à mémoire de forme NiTi. Cet alliage présente la caractéristique d'être biocompatible.
L'anneau de la figure 1 est représenté en perspective sur la figure 2, monté sur un support de manipulation et/ou de fixation 8. Typiquement, l'épaisseur e des branches de l'anneau est comprise par exemple entre 70 et 80 um, ou entre 45 et 50 um. Le diamètre D de l'anneau est par exemple inférieur ou égal à 3 mm ; un anneau a été réalisé, de diamètre 200 um. Les dimensions du support peuvent être par exemple les suivantes : 50,um < h < 500,um, 500 ,um < L < lmm, 100,um < 1 < 1mm
Ainsi, selon un exemple de réalisation
L=500 um, h=180 pm, 250 um < D < 300um, e=70 um. Selon un autre exemple de réalisation, les dimensions sont les mêmes sauf pour e qui est de l'ordre de 50 um.
La force de serrage théorique moyenne d'un tel dispositif est de l'ordre de 0,2 N.
De préférence le support 8 est lui-même réalisé dans le même matériau à mémoire de forme que celui utilisé pour la réalisation du préhenseur 2.
Un autre exemple de réalisation d'un préhenseur, monté sur ses moyens de fixation et/ou de manipulation, est illustré en figure 3. Les moyens de fixation sont désignés par la référence 10 et comportent une première partie 12, de forme approximativement parallélépipédique, et une seconde partie 14 qui va en se rétrécissant, en direction de l'anneau 2, à partir de la première partie 12. Dans cette seconde partie 14, un trou, ou ouverture, 16 permet de limiter l'accumulation de contraintes dues à l'encastrement de l'anneau. En outre, le trou permet d'avoir une meilleure compliance du système de bras 4, 6.
Comme illustré sur la figure 3, les moyens de fixation peuvent être reliés à des moyens de contrôle de la température de l'anneau. Sur la figure 3, ces moyens de contrôle de la température comportent successivement un doigt 18 en cuivre et un élément, ou microélément, Peltier 20. Ce dernier peut avoir par exemple une taille de 7 mmx5 mm.
L'utilisation d'un micromodule à effet Peltier est particulièrement avantageuse pour les raisons suivantes. Tout d'abord un tel micromodule permet de chauffer ou de refroidir le matériau à mémoire de forme, donc d'ouvrir ou de fermer l'anneau ou le préhenseur en fonction des besoins. Cet avantage ne peut être obtenu avec des moyens de chauffage usuel, par exemple par effet Joule.
Par ailleurs, les éléments à effet Peltier permettent d'atteindre une large plage de températures ; typiquement, on peut couvrir une plage comprise entre -100 C et +2000C, compatible avec l'utilisation de nombreux matériaux à mémoire de forme.
Enfin, ce type de dispositif constitue, du point de vue de sa commande, un système du premier ordre, simple et très robuste.
La figure 4 représente schématiquement un dispositif de contrôle d'un préhenseur selon l'invention. Le préhenseur est désigné par la référence 22, et peut être un préhenseur tel que décrit ci-dessus en liaison avec les figures 1 à 3. Ce préhenseur est en contact avec un élément Peltier 20, lui-même supporté par un bras de positionnement 26 pour effectuer divers mouvements, par exemple des déplacements suivant trois axes X, Y, Z. Ce bras permet d'amener ce préhenseur 22 au contact d'un objet 24 à saisir et à déplacer. Un système de commande 28 permet, à l'aide d'une mesure de la température de l'élément Peltier (et donc, du préhenseur), de commander l'ouverture et la fermeture de celui-ci. Une caméra vidéo 30 est reliée à un dispositif 32 d'acquisition vidéo et permet de visualiser sur un écran 36 l'état d'ouverture ou de fermeture du préhenseur 22. En fonction de cet état, une commande peut être transmise au dispositif 28 pour faire varier la température de l'élément Peltier 20, et donc l'ouverture et la fermeture du préhenseur 22.
On peut aussi remplacer la caméra vidéo par une fibre multicoeur munie d'une lentille SELFOC et couplée à un système d'acquisition vidéo.
Un tel dispositif de préhension, avec ses moyens de contrôle, peut être avantageusement mis en oeuvre dans le cadre d'un procédé de fabrication d'objets pour lequel des pièces de petites tailles doivent être transportées, par exemple d'une station d'assemblage à une autre.
C'est le cas en particulier, pour le montage de microlentilles cylindriques (microlentilles GRIN) utilisées en endoscopie.
L'endoscopie est une technique d'investigation du corps humain qui permet aux praticiens d'acquérir des informations, ou images, des parties intérieures au corps, telles que l'estomac, les poumons ou le coeur.
Un dispositif pour la mise en oeuvre d'une telle technique est représenté schématiquement sur la figure 5, où la référence 40 désigne une source de lumière qui est focalisée par une lentille 42 à l'entrée d'un guide de lumière 46. Ce dernier est en fait le plus souvent relié à une pluralité de fibres optiques 48, 50 disposées à la périphérie d'une fibre multicoeurs 52. Un faisceau d'éclairage 54 peut ainsi être dirigé sur une zone 56 d'un objet ou d'un organe à observer, qui réfléchit un rayonnement 58 à l'entrée 60 de la fibre multicoeurs 52. Cette dernière comportant un faisceau cohérent de coeurs individuels, ceux-ci transmettent donc la lumière de manière ordonnée entre eux, et l'image obtenue en sortie 62 de la fibre multicoeurs correspond à l'image formée à l'entrée 60.
Des moyens 64, 66 pour mémoriser, analyser et/ou représenter l'image peuvent être également prévus en combinaison avec ce dispositif.
Cette technique d'imagerie est décrite par exemple dans les articles de A. Katzir : "Optimal
Fibers in Medicine", Scientific American, vol.260(5), p. 120-125, 1989 et "Optimal Fiber Techniques (Medicine)", Encyclopédia of Physical Science and
Technology, vol. 9, p. 630-646, 1987.
Pratiquement, une fibre multicoeurs telle que la fibre 12 peut comporter environ 700 à 10000 coeurs, pour des applications à la microendoscopie.
La notion de fibre multicoeurs est à distinguer de celle de multifibres, qui est un assemblage ou un faisceau de fibres indépendantes placées conjointement et éventuellement collées en bout.
Aussi bien les fibres multicoeurs que les multifibres peuvent être utilisées en endoscopie.
Dans les deux cas, une lentille 60 (voir figure 5), en général de type GRIN, est montée sur une face d'entrée de la fibre, du côté qui va dans l'être humain. Actuellement, le montage d'une telle lentille sur la multifibre ou sur la fibre multicoeur se fait manuellement. Cette manipulation peut conduire à un ébrèchement de la lentille, ou à un apport de poussières à sa surface. Il convient donc de trouver une technique permettant, d'une manière générale, la manipulation des lentilles, mais aussi le positionnement d'une lentille, en face d'une fibre, sans intervention manuelle.
Le dispositif qui a été décrit ci-dessus, en liaison avec la figure 4, convient à cette manipulation et permet de transporter les microlentilles, par exemple à partir d'une zone de stockage, vers une zone où elles sont alignées avec les fibres, de manière à être collées sur celles-ci. Le préhenseur étant du type à mémoire de forme, son ouverture est commandée par une variation de température, ce qui permet d'éviter tout contact entre un opérateur et les lentilles. On diminue ainsi fortement le risque d'ébrécher des lentilles ou de déposer des poussières à leur surface.
L'invention a été décrite dans le cas d'un préhenseur ayant une forme sensiblement annulaire (figures 1-3) . On peut envisager également des préhenseurs ayant une forme différente, par exemple dans lequel les deux bras du préhenseur constituent un "V", monobloc et en matériau à mémoire de forme.
La figure 6 représente un autre type de préhenseur, réalisé en un matériau à mémoire de forme.
Ce préhenseur comporte une zone 100 de fixation du préhenseur, et un bras flexible 102 qui vient s'articuler sur la zone 100 de fixation. La zone 100 définit en fait un second bras 104, rigide, par rapport auquel le bras flexible peut etre déplacé. L'extrémité des bras définit une zone de préhension 106. Ces extrémités peuvent avoir des formes adaptées à tel ou tel type d'objets à saisir par le préhenseur. Ainsi, sur la figure 6, le bras fixe 104 présente un évidement 108, à section triangulaire. Cet évidement permet, en combinaison avec le mouvement du bras 102, de venir saisir des objets, en particulier de type cylindrique, par exemple des lentilles GRIN, et de les positionner de façon précise dans le préhenseur.
Le dispositif décrit sur la figure 6 peut être commandé par un microélément Peltier, avec les mêmes avantages que ceux déjà décrits ci-dessus.
Les dispositifs de préhension selon l'invention sont réalisés en un matériau à mémoire de forme. Les alliages à mémoire de forme sont des matériaux qui possèdent deux phases solides, pour deux plages de température caractéristiques. Le changement de phase s'accompagne d'un changement des propriétés physiques et de l'organisation atomique du matériau, ce qui peut engendrer des déformations macroscopiques importantes
(jusqu'à 8% en élongation pour le NiTi) . I1 est possible de "mémoriser", pour chacune des deux phases, une forme donnée, par un procédé dit "d'éducation", et par un traitement thermique approprié. Des procédés d'éducation sont décrits par exemple dans le document de J. Perkins et al. Intitulé "the Two-Way Shape Memory
Effect" paru dans Engineering Aspect of Shape Memory
Alloys, Butterworth Heinemann, London, 1990, pages 195206. On obtient alors un dispositif à effet mémoire double sens, bien adapté à la réalisation d'un préhenseur.
D'une manière générale, on utilise l'expression "austénite" pour désigner la phase solide haute température d'un alliage à mémoire de forme.
L'expression "martensite" désigne la phase solide basse température. Les températures caractéristiques de début, et de fin, de la transformation austénitemartensite sont désignées par Ms et Mf. Les températures caractéristiques de début, et de fin, de la transformation martensite-austénite sont désignées par
As et Af.
En ce qui concerne l'alliage à choisir, l'alliage NiTi présente l'avantage d'être biocompatible, ce qui présente un intérêt dans le cas des applications médicales du type endoscopie. Un alliage NiTi ayant une composition proche de la composition équiatomique offre en outre l'avantage de présenter, à haute température, une structure cubique centrée de type B2 Cet alliage présente une transformation de phase martensitique vers des structures monocliniques, orthorhombiques, ou rhomboédriques, après trempe. Un même alliage peut présenter plusieurs transitions successives. Les températures de transition peuvent être réglées à volonté en changeant la composition et, dans une moindre mesure, les traitements thermiques. Ainsi, un alliage riche en Ti présentera une température de transition M5 élevée, tandis qu'un alliage riche en Ni présentera une température M5 basse. L'alliage est de préférence trempé, ou au moins refroidi rapidement, afin d'éviter des risques de décomposition, notamment par précipitation. Dans certains cas, on produit une précipitation contrôlée, afin de favoriser l'effet mémoire double sens. De préférence, on utilise pour cela un alliage dont la concentration en Ni est supérieure à 50,6% atomiques. Dans le cas où on cherche à utiliser l'effet mémoire de l'alliage afin de réaliser un préhenseur, les températures de transition M5 et As sont de préférence supérieures à la température ambiante.
D'autres matériaux à mémoire de forme tels que
CuZnAl ou bien NiTiCu peuvent être utilisés. On peut également utiliser les matériaux décrits par C.M.
Wayman et al. dans "Introduction to martensite and
Shape Memory", paru dans Engineering Aspect of Shape
Memory Alloys, Butterworth Heinemann, London, 1990.
La méthode traditionnelle de fabrication des éléments ayant des propriétés à mémoire de forme est représentée schématiquement sur les figures 7A à 7C. Un matériau sélectionné 110, à mémoire de forme (figure 7A) est d'abord mis en forme suivant la structure que l'on souhaite mémoriser (figure 7B). Ainsi, dans le cas d'un anneau, on contraint le matériau sélectionné 110 autour d'une forme cylindrique, avant toute opération de recuit. Ce n est qu'après, au cours d'une deuxième étape (figure 7C) que le matériau est recuit, en général autour de 500"C, afin de le figer dans la forme voulue. Il est souvent nécessaire de contraindre le matériau pour parvenir à un tel résultat : on utilise alors un gabarit ou un moule. Cette méthode présente de nombreux inconvénients - Pour des microsystèmes, en raison de leur petitesse,
la mise en forme est une opération difficile, voire
impossible. Ce problème se pose en particulier dans
le cas de la réalisation de micropréhenseurs (dont
l'amplitude du déplacement relatif de ses éléments de
préhension est inférieure à 1 mm), par exemple pour
saisir des microlentilles.
- De plus, effectuer des recuits de petits échantillons
est une opération délicate et longue.
- En outre, la production d'une grande quantité de
pièces est difficile, en raison entre autres de la
délicatesse des opérations de mise en forme, et
surtout de recuit. De plus, chaque opération de
recuit est coûteuse en temps de production.
- Enfin, la forme que l'on peut réaliser est limitée
on ne peut faire que des pièces simples. Ainsi, un
préhenseur du type de celui illustré sur la figure 3
ou sur la figure 6 est impossible à réaliser avec une
telle méthode.
Afin de résoudre ces problèmes, les inventeurs proposent une autre technique de préparation des matériaux à mémoire de forme, qui va être décrite en liaison avec les figures 8A à 8D.
Dans une première étape, on sélectionne un matériau de base 120 (figure 8A). Au cours d'une seconde étape (figure 8B) ce matériau 120 est recuit dans un four 122. Ensuite (figure 8C) on découpe la forme souhaitée directement dans la lame recuite cette découpe est réalisée à l'aide d'une technique qui, de préférence, ne perturbe le matériau que de manière très locale. Une telle technique peut être une technique de découpe laser ou une technique de découpe par électroérosion ou par jet, qui sont des méthodes peu destructives. Ainsi, on obtient les formes 125, 127, 129 souhaitées (figure 8D), dont les empreintes 124, 126, 128, après découpe, sont laissées dans la plaque de matériau i20. Ce procédé présente les avantages suivants - Il est possible d'obtenir n'importe quelle forme de
matériau.
- Dans les microsystèmes, c'est la seule technologie
qui permette d'obtenir des objets à mémoire de forme
d'épaisseur importante, par exemple de l'ordre de
500 um dans le cas d'une découpe laser.
- A partir de la matière de base, on peut produire une
très grande quantité de pièces pour une seule
opération de recuit.
- Les propriétés du matériau dépendent de la qualité du
recuit. Le recuit est donc une opération critique si
on effectue le recuit élément après élément. Dans le
cas présent, un seul recuit est effectué pour
l'ensemble de la lame. En outre, l'intérêt de pouvoir
produire un grand nombre de pièces du même recuit
garantit une reproductibilité des propriétés
physiques d'une pièce à une autre.
Le procédé selon 1 invention permet de réaliser des pièces de forme quelconque, en particulier du type de celles déjà décrites ci-dessus, en liaison avec les figures 3 ou 6.
En ce qui concerne la découpe après recuit, l'utilisation de la technique d'électroérosion permet de découper des pièces plus épaisses que si l'on utilise la technique de découpe par laser : cette dernière convient bien pour des lames d'épaisseur inférieure à environ 1 mm, mais se trouve moins bien adaptée pour des lames d'épaisseur plus importante.
Les propriétés du matériau peuvent être caractérisées au moyen de la calorimétrie différentielle à balayage : pour une variation de température AT donnée, on compare les quantités de chaleur fournies, d'une part à un porte-échantillon de référence, et d'autre part à un porte-échantillon contenant le matériau à étudier, l'un et l'autre se présentant sous la forme de petits échantillons de masse de l'ordre de quelques microgrammes. En fait, on mesure l'émission et/ou l'absorption de chaleur liées à la transformation de phase sur ces échantillons. Cette technique permet de mesurer précisément les températures de transition (M5, Mf, As, Af).
Le procédé décrit ci-dessus offre en outre l'avantage d'éviter une étape de mémorisation de la forme haute température. Classiquement, la forme est mémorisée au cours du recuit à haute température, le matériau étant contraint, préalablement, à prendre une certaine forme au moyen d'un gabarit. Par la suite, quelle que soit la déformation que le matériau subira dans l'état martensitique, il retrouvera la forme mémorisée par un simple réchauffement au-dessus de la température de transformation martensite-austénite. Un gros avantage de la technique décrite ci-dessus est qu'elle permet d'éviter cette étape de mémorisation préalable : l'usinage est réalisé après recuit, et la forme mémorisée est directement celle usinée.
Comme à l'issue du procédé classique, le produit obtenu par le procédé selon l'invention ne possède que l'effet mémoire simple sens : s'il est déformé dans l'état martensitique (température T < M5), il retrouve sa forme par réchauffement au-dessus de la température de transformation martensite-austénite
(T > Af). Mais, s'il est à nouveau refroidi au-dessous de M5, aucun changement de forme ne se produit. Un tel matériau convient à la réalisation d'un dispositif de fixation selon l'invention.
Pour que l'effet mémoire se produise dans les deux sens (pour un préhenseur) on peut utiliser un ressort, ou un poids, qui restaure la déformation au refroidissement ; on peut également, selon une autre technique, créer une microstructure particulière de l'alliage qui permet de sélectionner certaines variantes lors de la transformation. Cette dernière technique est appelée technique "d'éducation". La première méthode n'est pas facile à appliquer pour les dispositifs microscopiques, car elle nécessite l'assemblage de plusieurs composants, et on préfère donc la deuxième méthode. Plusieurs méthodes d'éducation peuvent être appliquées. L'une d'elles est le cyclage pseudoélastique dans l'état austénitique.
Un dispositif va être décrit, en liaison avec la figure 9, pour un micro-ordinateur 140. Un microscope binoculaire 142 permet par ailleurs de contrôler la position de focalisation du faisceau sur la table 136.
Des dispositifs vont maintenant être décrits, qui permettent de réaliser une découpe par électroérosion. Un premier dispositif est illustré sur la figure 10A et permet de réaliser un enlèvement de matière par érosion, par enfonçage. Une électrode 142 ayant une forme complémentaire à la forme désirée (ici : la forme du préhenseur à réaliser) est enfoncée dans la pièce 144 à usiner (ici : le matériau à mémoire de forme).
Afin que cette électrode puisse pénétrer dans la pièce, des étincelles vont localement faire fondre la matière : lors de l'éclatement de l'étincelle, l'énergie électrique transformée en chaleur par l'effet
Joule, va libérer suffisamment d'énergie thermique pour permettre une vaporisation locale de la matière.
Un second dispositif est illustré sur la figure llB et concerne le découpage par fil.
Si le principe d'enlèvement de matière est identique à celui de l'enfonçage, l'utilisation du processus d'électroérosion dans le cas du fil est différent.
Au lieu d'une électrode qui s'imprime dans la pièce 144, c'est un fil 146 (une électrode) qui découpe celle-ci. Du fait de l'usure de l'électrode, le fil est constamment renouvelé, à l'aide de moyens 148, 150 permettant de le faire défiler.
Cette différence (amenée et récupération du fil) amène des solutions mécaniques assez différentes des machines d'étincelage. Les caractéristiques de l'étincelle sont également spécifiques au processus d'électroérosion par fil.
Une commande numérique permet de contrôler les différents axes de la machine (x, Y, U, V) ainsi que la vitesse de défilement du fil et la distance entre les guides du fil.
Les axes U et V permettent de repérer l'inclinaison du fil et permettent le découpage de pièces non-cylindriques. Grâce à cet angle de dépouille il est possible d'usiner des surfaces réglées et donc des pièces très complexes.
La technique par jet d'eau peut être réalisée avec un jet d'eau pure ou mélangée avec un abrasif, focalisé en un jet de faible diamètre de 0,08 à 0,8 mm à des pressions de l'ordre de 3500 à 4000 bars. La vitesse du jet est par exemple d'environ 600 m/s, délivrant ainsi une importante puissance surfacique de l'ordre de 120 kW/mm2. En comparaison, celle d'un laser de 4 kW se situe aux environs de 1 kW/mm2. L'ajout de particules abrasives par effet Venturi permet de découper des matériaux très durs et compacts sans modifier thermiquement la structure physico-chimique du matériau.
Les procédés exposés ci-dessus conviennent pour réaliser la découpe d'un matériau à mémoire de forme; de préférence le procédé choisi ne perturbe pas la structure microscopique du matériau, en tout cas pas au-delà de quelques um (par exemple 5 pm ou 10 um) par rapport à la zone ou à la trace de la découpe. Un moyen de contrôle de la structure du matériau est la microscopie électronique, qui permet de réaliser une observation à l'échelle du pm, donc qui permet d'observer si le matériau est perturbé, ou pas.
EXEMPLE
Un exemple de réalisation de préhenseur concerne un alliage NiTiCu. La présence du Cu donne une hystérèse plus petite, et une meilleure stabilité au cours du cyclage thermique. Dans cet alliage, la précipitation de Ni ne se produit pas. L'alliage se présente sous la forme d'une lame ayant une épaisseur d'environ 300 um.
L'alliage a d'abord été recuit pendant 10 minutes à 450"C dans un four à atmosphère contrôlée d'argon, et trempé dans de l'eau à 20"C. Après trempe, l'alliage est dans l'état martensitique. Les températures de transformation telles que mesurées par calorimétrie différentielle sont les suivantes Ms=47 C, Mf=310C, A5=510C, Af=70 C.
Par découpe de la feuille de NiTiCu par usinage laser, on peut ensuite obtenir un préhenseur ayant la forme voulue, par exemple la forme en anneau de la figure 1. La forme découpée est la forme mémorisée. Le préhenseur peut ensuite être déformé au moyen d'une aiguille conique, que l'on introduit par exemple dans l'anneau. L'augmentation du diamètre de l'anneau est telle que la déformation est de l'ordre de 1 à 5. La déformation ne doit pas dépasser, de préférence, 8%, pour éviter une déformation irréversible de l'alliage.
En chauffant ce dernier au moyen d'un élément à effet
Peltier, la transformation martensite-austénite se produit, et l'alliage retrouve la forme qu'il avait avant déformation, c'est-à-dire la forme après découpe laser. Dans le cas où un objet est inséré dans l'anneau, l'effet mémoire de forme ne se produit que partiellement, jusqu'au moment où l'anneau de préhension rentre en contact avec l'objet. Ensuite, l'anneau génère une force dépendant de l'état de transformation de la matière lors du passage austénitemartensite. Au refroidissement, l'anneau ne s'ouvre en principe pas : la lentille reste coincée dans le préhenseur. Pour que l'anneau s'ouvre, on lui donne un effet mémoire double sens : une des manières d'obtenir cet effet double sens est d'éduquer le matériau. On peut le faire en ouvrant et en fermant l'anneau à une température supérieure à la température A5, de façon répétée, par exemple environ une dizaine de fois. Ceci permet d'obtenir par la suite une ouverture spontanée de l'anneau lors du refroidissement.

Claims (20)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de préhension ou de fixation (2, 22) comportant un premier et un second éléments (4, 6, 102, 104) de préhension pouvant subir un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, l'ensemble des premier et second éléments étant réalisé en un matériau monobloc à mémoire de forme.
2. Dispositif de préhension ou de fixation selon la revendication 1, l'amplitude du mouvement relatif des deux éléments étant au plus égale à 10 mm.
3. Dispositif de préhension ou de fixation selon l'une des revendications 1 ou 2, obtenu par découpe dans le plan d'une lame (120) de matériau à mémoire de forme, le mouvement relatif ayant lieu dans ce plan.
4. Dispositif de préhension ou de fixation selon l'une des revendications 1 à 3, comportant en outre des moyens (8, 10) de manipulation de l'ensemble des premier et second éléments.
5. Dispositif de préhension ou de fixation selon la revendication 4, les moyens de manipulation de l'ensemble des premier et second éléments constituant avec ceux-ci un ensemble monobloc.
6. Dispositif de préhension ou de fixation selon la revendication 4 ou 5, les moyens de manipulation étant reliés à des moyens (20) de contrôle de la température des premier et second éléments du dispositif de préhension.
7. Dispositif selon la revendication 6, les moyens (20) de contrôle de la température comportant un élément à effet Peltier.
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7 comportant en outre des moyens de commande (26) des moyens de contrôle (20) de la température des premier et second éléments et des moyens (30, 32, 36) de contrôle visuel de la position relative des premier et second éléments du dispositif de préhension.
9. Dispositif de préhension ou de fixation selon l'une des revendications précédentes, l'amplitude du mouvement relatif des premier et second éléments l'un par rapport à l'autre étant inférieure à 500 um.
10. Dispositif de préhension ou de fixation selon l'une des revendications précédentes, l'amplitude du mouvement relatif des premier et second éléments l'un par rapport à l'autre étant inférieure à 100 wn.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, le matériau étant à effet mémoire double sens ou ayant subi un processus d'éducation permettant d'obtenir l'effet mémoire double sens.
12. Procédé de préparation d'un dispositif de préhension ou de fixation selon l'une des revendications 1 à 11 comportant les étapes suivantes a) recuit d'un substrat (120) du matériau à mémoire de
forme, puis b) découpe du dispositif de préhension ou de fixation
dans le substrat.
13. Procédé selon la revendication 12, la découpe étant réalisée de manière à ne pas perturber la structure microscopique du matériau du substrat obtenu après recuit.
14. Procédé selon la revendication 12, la découpe étant réalisée de manière à ne pas perturber la structure microscopique du matériau du substrat sur plus de 5 um au-delà de la découpe.
15. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, la découpe de l'élément dans le substrat étant réalisée par laser.
16. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, la découpe de l'élément dans le substrat étant réalisée par électroérosion.
17. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, la découpe de l'élément dans le substrat étant réalisé par jet d'eau.
18. Procédé de manutention d'un objet comportant la saisie et le transport de l'objet à l'aide d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 11.
19. Procédé selon la revendication 18, l'objet étant une (24, 60) microlentille ou une fibre optique.
20. Procédé de réalisation d'un assemblage d'une fibre multicoeur (52), ou d'une multifibre, avec une lentille (60), comportant - le déplacement et le positionnement de la lentille
face à une extrémité de la fibre, conformémeni au
procédé selon la revendication 19, - la fixation de la lentille sur l'extrémité de la
fibre.
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