Conception des platines de translation

Chacun des matériaux utilisés pour la fabrication des composants mécaniques en micropositionnement présente des avantages et des inconvénients. Voici un résumé des propriétés des matériaux les plus couramment utilisés.

Raideur

Force nécessaire pour provoquer une déflexion. Elles sont proportionnelles et associées dans l’équation :
Dx = (1/E) * xF/A
F et Dx étant respectivement la force et la déflexion, x étant la longueur nominale et A étant la surface perpendiculaire à la force. E est une constante propre à chaque matériau, appelée module d’élasticité, module de Young ou simplement raideur d’un matériau. Plus la valeur de E est grande, plus la raideur du matériau est importante.

Dilatation thermique

Les variations de température entraînent des modifications de taille et de forme des platines. L’ampleur de ces modifications dépend de la dimension du composant, de la variation de température et du matériau utilisé. L’équation permettant de calculer le changement de dimension en fonction de la variation de température est la suivante :
DL = aLDT
a étant le coefficient de dilatation thermique propre au matériau.

Conductivité thermique

Certains matériaux, comme l’aluminium, sont recommandés lorsque la variation de température dans le composant n’est pas uniforme, notamment lors du montage d’une source de chaleur telle qu’une diode laser. Comme la température de la diode est plus élevée que celle du milieu ambiant, la chaleur se dissipe dans le support, créant un gradient de température dans la platine. Si le matériau ne dissipe pas spontanément la chaleur, les distorsions provoquées par les gradients thermiques peuvent devenir importants. La distorsion provoquée par des variations de température non homogènes est proportionnelle au coefficient de dilatation thermique, a, divisé par le coefficient de conductivité thermique, c.
Distorsion thermique relative = a/c
Si la température de fonctionnement d’un appareil est très différente de la température du laboratoire, il faut faire très attention aux composants constitués de plusieurs matériaux. Ainsi, dans une platine de translation linéaire, si le corps est en aluminium alors que les guidages sont en acier inoxydable, l’aluminium et l’acier se dilatant à des vitesses différentes, les guidages risquent de perdre leur précontrainte ou le corps risque de se déformer sous l’effet des contraintes accumulées dans l’interface aluminium/acier.

Instabilité des matériaux

Modification des dimensions physiques avec le temps, aussi appelée fluage. Pour l’aluminium, le laiton et l’acier inoxydable, la durée requise pour l’apparition du fluage peut être de l’ordre de quelques mois à quelques années.

Aluminium

Caractéristiques
L’aluminium est un matériau léger, résistant au fluage et doté d’un bon rapport
raideur/poids. Il possède un coefficient de dilatation thermique relativement élevé, mais aussi une conductivité thermique importante. Il est donc recommandé pour les applications impliquant des gradients thermiques ou celles exigeant une adaptation rapide aux variations de température. L’aluminium est facile à usiner, d’un bon rapport qualité/prix et largement utilisé pour la structure des platines. De plus, l’aluminium ne s’oxyde pas et la corrosion ne pose généralement aucun problème dans l’environnement de l’utilisateur type, même lorsque les surfaces ne sont pas protégées. Par ailleurs, lorsqu’il est anodisé, l’aluminium offre une excellente finition.

Limites
Les surfaces anodisées sont poreuses, ce qui les rend inutilisables sous vide poussé.

Revêtements
L’aluminium anodisé offre une excellente résistance à la corrosion et une bonne finition. La couleur la plus utilisée est le noir. L’anodisation a pour effet de durcir la surface et d’améliorer sa résistance aux éraflures et à l’usure. L’aluminium peut aussi être peint, avec d’excellents résultats.

Acier

Caractéristiques
L’acier bénéficie d’un module d’élasticité élevé, ce qui lui confère une bonne raideur (près de trois fois celle de l’aluminium) et une grande stabilité. Sa caractéristique de dilatation thermique est d’environ la moitié de celle de l’aluminium (Figure 8). C’est donc un excellent choix pour les environnements où les variations de température sont homogènes. L’acier inoxydable convient tout à fait aux applications sous vide poussé.

Paramètre Acier Aluminium Laiton Granit
Module de Young (raideur), E (Mpsi) 28 10,5 14 7
Densité, r(lb/in3) 0,277 0,097 0,307 0,1
Raideur spécifique, E/r 101 108 45,6 70
Dilatation thermique, a(min/in/°F) 5,6 12,4 11,4 4
Conduction thermique, c (BTU/h-ft-°F) 15,6 104 67 2
Distorsion thermique relative, a/c 0,36 0,12 0,17 2

Figure 8: Propriétés des matériaux couramment utilisés pour les platines.

Limites
L’usinage de l’acier est beaucoup plus lent que celui de l’aluminium, ce qui rend les composants en acier considérablement plus onéreux. La corrosion de l’acier pose un réel problème, mais il est en grande partie résolu avec les alliages d’acier inoxydable.

Revêtements
Les pièces en acier sont généralement plaquées ou peintes. Les plaquages peuvent être du chrome, du nickel, du rhodium ou du cadmium. Une finition noire est fréquemment utilisée pour les vis et le matériel de montage afin de les protéger de la rouille. Les alliages en acier inoxydable évitent les problèmes de corrosion des autres types d’acier. Ce sont des matériaux très propres qui ne nécessitent aucune protection particulière des surfaces. Une surface traitée par projection de billes de verre offre une finition mate sans réflexion gênante.

Laiton

Caractéristiques
Le laiton est un matériau lourd, plus dense que l’acier et rapide à usiner. Il est principalement utilisé pour réduire l’usure. Il est aussi souvent utilisé comme métal complémentaire pour éviter les effets de soudure automatique avec les arbres ou les vis d’entraînement en acier ou en acier inoxydable. Le laiton est utilisé dans certaines applications de haute précision nécessitant une très haute résistance au fluage. Il peut être usiné au diamant pour offrir des surfaces extrêmement lisses.

Limites
Par comparaison avec l’aluminium et l’acier, le laiton offre un rapport raideur/poids moins intéressant. Par ailleurs, bien que la dilatation thermique du laiton soit comparable à celle de l’aluminium, sa conductivité thermique est de l'ordre de deux fois plus forte.

Revêtements
Pour une utilisation en optique, le laiton généralement peint en noir. Dans d’autres cas, il peut être plaqué chrome ou nickel offrir une surface plus résistante.

Guidages et mécanismes à flexion

La charge et la trajectoire d’une platine de translation ou de rotation dépendent principalement du type de guidage ou du mécanisme de flexion utilisé. Les guidages permettent des mouvements rotatifs ou linéaires doux avec un faible frottement
entre les deux faces de contact. Ils sont soit à glissement (glissières en queue d'aronde), soit à roulement (guidages par chemins de billes ou par rouleaux croisés). Dans chaque cas, pour un fonctionnement optimal, les surfaces de guidage doivent être séparées par une pellicule d’huile ou autre lubrifiant. Cependant, les mécanismes à flexion procurent des moyens de translation qui ne requièrent pas de lubrifiant, et sont pratiquement libres de la friction normallement associée aux guidages. Ce type de mécanisme limite la course à quelques millimètres, quand il est utilisé pour une platine de translation.

Glissières en queue d’aronde

Les glissières en queue d’aronde sont les types les plus simples de platines de translation et servent principalement au positionnement manuel. Elles sont constituées de deux surfaces planes glissant l’une contre l’autre
avec la géométrie montrée dans la Figure 9. Les glissières en queue d’aronde permettent des courses longues et offrent une raideur et une capacité de charge relativement élevées. Elles sont plus résistantes aux chocs que les
autres types de guidages et sont relativement insensibles à la contamination. En revanche, elles ont un frottement statique relativement important et ce frottement varie avec la vitesse de translation. Cela rend difficile les contrôles
précis et limite également la sensibilité.

Guidages par chemins de billes

Les guidages à chemins de billes réduisent le frottement en remplaçant le mouvement de glissement par un mouvement de roulement. Les billes sont maintenues au moyen de chemins en V ou de tiges en acier trempé, comme indiqué dans la Figure 10. Les chemins sont précontraints contre les billes pour éliminer les déviations angulaires indésirables. Même avec cette précontrainte, le frottement reste très faible, ce qui donne un mouvement extrêmement doux. Les guidages à chemins de billes sont relativement insensibles à la contamination, car chaque bille n’est en contact avec les chemins de guidage qu’en un seul point, ce qui fait que les débris sont repoussés.
Avec un chemin de guidage en V, les chemins de billes ont une capacité de charge plus faible que les guidages par rouleaux croisés, car la surface de contact disponible pour transmettre les charges est plus petite. Pour transporter la même charge, les billes devraient avoir un plus grand diamètre ou être plus nombreuses. Si les chemins conjugués sont usinés avec un profil gothique ou circulaire (Figure 11), la conformité plus étroite au rayon des billes permet l’utilisation de billes plus petites qu’avec des chemins plats. Le profil gothique est très proche d’un chemin en V avec la charge efficacement partagée à 45 degrés sur chaque paroi.
Un chemin de forme circulaire offre une capacité de charge plus grande, mais les billes portent la charge uniquement sur le fond de la rainure, ce qui peut entraîner un jeu latéral pour des charges qui sont perpendiculaires au sens de déplacement.

Fig 15-SFigure 10: Les guidages à chemins de billes ont un frottement extrêmement faible et une capacité de charge modérée.
Fig 15 new-SFigure 11: Le type de chemin de guidage, le diamètre des billes et le nombre de billes affectent la capacité de charge d’une platine.03-284-SLes guidages par chemins de billes sont généralement utilisés pour les platines de translation en aluminium, telles les M-423 et M-433.

Guidages par rouleaux croisés

Les guidages à rouleaux croisés (Figure 12) offrent tous les avantages des guidages à chemins de billes avec une capacité de charge et une raideur plus grandes. Cela s’explique par le fait que le point de contact des billes est remplacé par la ligne de contact des rouleaux. Du fait des caractéristiques des contacts par lignes, les déviations angulaires et linéaires sont généralement inférieures à celles que l’on trouve dans les guidages à billes. Cependant, les guidages par rouleaux croisés exigent plus de soin lors de la fabrication et du montage et sont donc plus coûteux. Ils sont aussi plus sensibles à la contamination, car ils sont moins efficaces pour repousser les corps étrangers et les écarter de leur contact avec les chemins de guidage.

Fig 16-SFigure 12: Les guidages par rouleaux croisés présentent tous les avantages des guidages à chemins de billes avec une raideur et une capacité de charge plus grandes.

Mécanismes à flexion

Un mécanisme à flexion ne présente pas de friction dans la mesure où il utilise la déformation élastique d'un matériau pour obtenir une translation. Cette flexion peut être obtenu au travers de nombreux matériaux mais généralement, elle provient d'acier à ressort souple. Le mécanisme de flexion doit être conçu de façon à ne pas dépasser l'élasticité de l'acier utilisé. Sans cela, la déformation deviendrait permanente et la fonction souhaitée anéantie. Ces flexions peuvent être générées sur un axe unitaire ou sur une combinaison multi-axes et, de part leurs compacité former un assemblage à plusieurs axes de liberté trés compacte. A l'usage, ce mouvement de flexion génère une translation proche d'une droite avec un léger arc de cercle d'où un mouvement vertical durant le mouvement. Ce déplacement transversal limite la course des platines de translation utilisant un mécanisme à flexion.

Options d’entraînement

Entraînements et vérins manuels

Les vérins manuels sont les options de positionnement les plus simples et les plus économiques. Un vérin manuel est une vis d’entraînement à haute sensibilité munie d’un bouton moleté. Sur beaucoup de platines linéaires manuelles, comme nos séries M-460 ou M-423, l’écrou de la vis est fixé sur le corps de la platine, et la vis elle-même se déplace en avant ou en arrière (par opposition aux systèmes à entraînement par vis où c’est l’écrou qui se déplace en avant et en arrière). Des ressorts maintiennent le chariot contre l’extrémité de la vis et assurer ainsi un bon contact pour précontraindre la vis afin d’éliminer le jeu.

Vis d’ajustement fin

Les vis d’ajustement ultra-fin et à haute résolution que l’on trouve dans la série AJS du catalogue possèdent des filets roulés qui donnent des mouvements doux, et une extrémité sphérique qui atténue l’usure réduisant au maximum les mouvements latéraux indésirables. Dotées d’un pas compris entre 0,32 mm et 0,20 mm, ces vis permettent des ajustements submicroniques. Dés lors qu’aucune indication de position n’est nécessaire, les vis d’ajustement fin sont non seulement plus économiques, mais offrent aussi une sensibilité meilleures que les butées micrométriques au pas de 0,5 mm. L’indication de la position n’est pas indispensable, par exemple, quand on peut suivre la position d’après l’orientation ou la position d’un faisceau laser ou à partir de la valeur de la puissance optique.

Butées micrométriques

Les butées micrométriques sont utiles lorsqu’une indication précise de la position est nécessaire, comme les positionnements répétitifs, par exemple. Les butées micrométrique sont un pas de 0,5 mm et sont dotées de graduations de 10 mm. Un vernier supplémentaire, disponible sur certaines versions, permet des lectures de position d’une résolution de 1 mm.

Butées différentielles

Pour les applications nécessitant une résolution inférieure à 1 mm, les butées différentielles sont recommandées. Ces dispositifs utilisent en fait deux butées, intégrées l’une dans l’autre, qui ont des pas très proches pour produire des mouvements très fins. Le mouvement obtenu est égal à la différence entre les pas des deux vis. Ce processus est illustré dans la figure 13. Le pas effectif obtenu se calcule à l’aide de l’équation suivante :
1/Peff = 1/P1 – 1/P2
Ainsi, dans la butée différentielle brevetée DM-13 du catalogue, les deux pas de vis utilisés ont respectivement un pas de 0,5 mm pour la vis d’ajustement rapide et 0,475 mm pour la vis d’ajustement fin. Le pas effectif obtenu est équivalent à 0,025 mm. Cette butée a une sensibilité de 0,07 mm.

Compatibilité sous vide

Les platines destinées à une utilisation sous vide de 10-6 hPa ou plus nécessitent une préparation spécifique. Beaucoup de matériaux utilisés dans les platines de translation linéaire standard dégazeraient sous vide poussé. Cela équivaudrait à une fuite qui limiterait la capacité à conserver le vide adéquat. Nous utilisons des procédures spécifiques destinées à préparer les produits pour une utilisation sous vide. Ainsi, vos produits peuvent fonctionner à des niveaux de pression de 10-6 hPa sans libérer des quantités inacceptables de contaminants dans l’environnement sous vide. Pour une préparation correcte, nous avons besoin de connaître la pression d’utilisation, mais aussi d’autres informations. Les niveaux admissibles de dégazage, de perte de masse et de matériaux volatils condensables peuvent varier selon l’application, la capacité de pompage, la température, etc. Les questions relatives aux matériaux doivent être étudiées, notamment le choix des métaux, des céramiques, des revêtements, des lubrifiants, des adhésifs, des caoutchoucs, des plastiques et des composants électriques acceptables, pour ne citer que ceux-là. Ainsi,
les surfaces en aluminium anodisé très poreuses capturent de grandes quantités de molécules d’air et produisent donc un dégazage important. C’est la raison pour laquelle l’aluminium utilisé dans les applications sous vide poussé n’est pas anodisé. Les moteurs doivent aussi être soumis à une préparation spécifique. L’usinage doit éviter de créer des surfaces susceptibles de capturer des gaz et des corps étrangers qui pourraient être libérés en environnement sous vide. Il faut aussi veiller à ce que des gaz ne soient pas capturés dans des cavités de montage. Outre le choix des matériaux et des méthodes de fabrication, il faut suivre des consignes particulières concernant le nettoyage, la manipulation, le montage et l’emballage. Tout cela doit être effectué en salle blanche afin de réduire au maximum les contaminants volatiles qui pourraient se fixer sur les composants. Nous ne faisons pas de traitement à haute température. Les spécifications de performances pour les produits utilisés sous vide peuvent être différentes de celles des produits utilisés à pression ambiante. Ainsi, comme la chaleur ne peut se dissiper immédiatement, il faut réduire le cycle opératoire des moteurs, ce qui à son tour limite la vitesse maximale possible.
Si votre application nécessite une préparation sous vide, veuillez contacter notre service commercial afin de définir le produit le plus approprié à votre besoin.

Compatibilité salle blanche

Nous disposons des installations nécessaires pour préparer les produits pour des applications en salle blanche. Bon nombre des techniques, méthodes, procédures et caractéristiques de matériaux pour les applications en salle blanche sont similaires à celles relatives aux applications sous vide. Toutefois, chaque application a ses exigences propres. Pour définir vos besoins spécifiques, veuillez contacter notre service commercial.