Magnetic Shape Memory Alloys

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Surface functionalisation for microhandling

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Cadre des travaux

Les travaux de recherche effectués sur les Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques sont le fruit d'une collaboration entre deux équipes de recherche de FEMTO-ST : l'équipe Systèmes Automatisés de Micromanipulation et MIcro-assemblage (SAMMI) du département AS2M et l'équipe Propriétés Mécaniques des Matériaux (PMM) du Département de Mécanique Appliquée.

L'apparition relativement récente des Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques (AMFMs) a engendré une explosion d'articles scientifiques sur ces nouveaux matériaux dans les domaines de la physique des matériaux et de la métallurgie. Les travaux ont atteint une certaine maturité, ce qui permet maintenant de progresser au niveau applicatif. La firme Adaptamat Ltd. en Finlande a été la première à vendre des échantillons d'AMFM utilisables en tant qu'actionneur. Cependant, le succès applicatif ne suit que très peu l'explosion des recherches en matériau. En effet, le comportement très non-linéaire des AMFMs est un frein et d'autres règles de commande et de conception sont alors à définir pour que ce matériau trouve sa niche applicative.

Contenu des travaux

Modélisation des Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques

Nous nous sommes attaché à modéliser de manière originale les AMFMs en se basant sur le formalisme de la thermodynamique des processus irréversibles. Le modèle thermo-magnéto-mécanique a été validé expérimentalement à l'aide d'expérience réalisées au laboratoire ainsi qu'avec des résultats de la littérature. Des simulations assistées par ordinateur sont maintenant opérationnelles et permet de simuler le comportement général d'un AMFM.

Fig. 1 : Déformation d’un échantillon d’AMFM en fonction du champ magnétique appliqué pour différentes précontraintes constantes. Pointillés : modèle, traits pleins : résultats expérimentaux.

Actionnement par AMFM

Fig. 2 : Photographie du prototype d’actionneur
push-pull réalisé au laboratoire.

Après avoir modélisé le comportement du matériau, nous nous sommes intéressés aux possibilités d'actionnement qu'offrait ce matériau. Le modèle dévelloppé permet de dimensionner des actionneurs et a mis en évidence les limites de l'actionneur de base que l'on trouve dans la littérature et nous a amèner alors à proposer différentes structures, notamment un actionneur de type push-pull qui a été conçu, réalisé et testé expérimentalement (voir Fig. 2). De plus, quelques idées d'utilisation de ce matériau, notamment en microrobotique, ont fait l’objet d’études.

Modélisation dynamique

Fig. 3 : Système modélisé de manière dynamique.

Une modélisation dynamique a été mise en place en prenant en compte les comportements du circuit magnétique, de l'AMFM et de la charge mécanique. Les formalismes de Lagrange et Hamilton ont été utilisés dans le but d'obtenir une modélisation de l'actionneur de type énergétique cohérente avec la modélisation thermodynamique de l'AMFM.

Commande

Une stratégie de commande hybride originale a été développée dans le cadre de l'asservissement en position d'un actionneur à base d'AMFM. Le but est d’utiliser le comportement hystérétique et dynamique de l’AMFM afin d'augmenter la plage d’actionnement possible en limitant le courant d’alimentation, responsable de l’échauffement et donc de la taille du circuit magnétique (voir Fig. 4).

Fig. 4 : Contrôle en position de l’actionneur de la fig.3(a) : avec PID (figure de gauche), et avec contrôleur hybride (figure de droite). Les positions mesurées et de consigne sont représentées en haut et le courant mesuré est représenté en bas

Apports et perspectives de ces travaux...

...concernant l'étude des AMFMs

Les Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques promettent des avancées dans le domaine de l'actionnement par matériau actif. Leur grande déformation combinée à leur rapidité permet en effet d'envisager des actionneurs plus performants. La mise en place d'un modèle thermodynamique durant nos travaux a contribué à une meilleure compréhension de la physique des AMFMs afin d'établir une modélisation utilisable et assez générale pour pouvoir l'adapter aux évolutions probables de ces matériaux.

...dans la modélisation multiphysique et la conversion d'énergie

Lors de ces travaux, nous nous sommes attachés à entreprendre une démarche adaptronique pour étudier les AMFMs et les systèmes qui les mettent en œuvre. Le formalisme de la thermodynamique des processus irréversibles à variables internes semble, de notre point de vue, un excellent outil pour l'étude pluri-disciplinaire des matériaux actifs et semi-actifs et pourrait être utilisé pour l'étude d'autres matériaux ou systèmes.
De plus, la thermodynamique combinée au formalisme de Hamilton permet une approche cohérente et générale pour l'étude des systèmes dynamiques non-linéaires.
Ce qui nous semble flagrant avec ces nouveaux matériaux, c'est que les règles de conceptions traditionnelles sont mises à mal. Il est très difficile de comparer les matériaux actifs entre eux car leur comportement non-linéaire est prépondérant sur l'influence dans leurs utilisations potentielles. Ces travaux ont tenté de proposer plus qu'une simple étude spécifique des AMFMs, mais une méthode de modélisation adaptronique non-linéaire qui peut certainement être applicable à la plupart des matériaux actifs.

...dans le domaine de l'automatique

Le caractère hystérétique, combiné à des effets dynamiques, permet d'innover en matière d'automatique. L'étude des AMFMs nous permet de mettre le doigt sur des problèmes de commande applicables à d'autres systèmes non-linéaires. Les systèmes dynamiques à base d'AMFM, étudiés ici, peuvent être vu comme des benchmarks de systèmes non-linéaires avec hystérésis afin d'étudier des nouvelles lois de commande pour des systèmes hystérétiques et dynamiques.

...pour l'application à la microrobotique

Ce travail amont de modélisation des matériaux a prouvé que les AMFMs ont de belles perspectives en tant qu'actionneur pour la microrobotique. Cependant les difficultés d'intégration de ce matériau sur des films minces pour créer des microsystèmes, limitent aujourd'hui l'utilisation des matériaux à des structures assez grandes. Ce matériau reste cependant intéressant pour l'actionnement rapide d'une table de micropositionnement.
Des perspectives plus originales ont déjà été amorcées comme le blocage d'élément par AMFM sur palette qui pourrait trouver sa place dans une micro-usine ou le déplacement de micro-objet par stick-slip engendré par un actionnement par AMFM.