La mécanique flexible s'impose dans le monde des machines

La « compliant mechanics » en voie de révolutionner la mécanique et ouvre une nouvelle ère au génie mécanique

Le génie mécanique se transforme

Une pince robuste, légère, puissante, mais sans boulon ni rivet… un rêve.
Un commutateur d’une seule pièce ? Voyons donc !
Un panneau de 25m2 qui tient dans 1m3 ? En poudre peut-être ? Pourtant toutes ces promesses techniques ont été réalisées.

À la frontière entre les mathématiques, l’ingénierie et l'origami, la mécanique flexible ouvre une nouvelle ère du génie mécanique.

De la mécanique robuste

La résistance est l’une des caractéristiques les plus recherchées en mécanique. On apprécie qu’une machine dure longtemps et qu’elle fasse le travail sans faillir. À la source de la majorité des défaillances mécaniques se trouvent les joints entre les parties mobiles. Ces mêmes joints sont généralement aussi les parties les plus complexes. Comment en réduire le nombre ? La question est simple et pour y répondre, il s’agissait de remettre en question un principe de base en mécanique : la rigidité.

Considérée comme une qualité essentielle, la rigidité permet d’éviter les oscillations indésirables, la fatigue des matériaux et les vibrations parasites qui entrainent divers problèmes d’usure prématurée, de bruit et de bris. Plus c’est rigide, mieux c’est…

Avec l’évolution de notre connaissance des matériaux et des structures, le génie permet maintenant de designer des matériaux avec des degrés de souplesse variés et de durée quasi infinie, tant que l’utilisation demeure dans les paramètres déterminés de température, de pression ou de tension. Alors, pourquoi ne pas utiliser des matériaux souples au lieu de joints ? C’est ce que Larry Howell, ingénieur mécanique à la Brigham Young University, a fait.

Il a démonté une par une les croyances bien ancrées, par exemple en démontrant que la rigidité et la force ne sont vraiment pas la même chose, que quelque chose peut être flexible ET fort, et que la force dépend à la fois du matériel, de la structure et de comment sont appliquées les contraintes.

Se rapprocher de l’idéal !

En jouant avec les épaisseurs, les orientations, les formes et les matériaux, les concepteurs en arrivent à un niveau de simplicité s’approchant de l’art, de l’architecture ou même de la biologie. Bien sur plusieurs expertises sont nécessaires, dont une connaissance poussée des matériaux, de leurs propriétés et de leur mise en forme, mais le résultat ouvre des perspectives dans presque tous les domaines, de l’agriculture à l’espace en passant par la médecine.

La mécanique flexible (compliant mechanics en anglais) poursuit plusieurs idéaux, les 8 P :

Minimum de Parties : On réduit le nombre de parties par l’utilisation de pièces souples à la place de ressorts, de charnières, de joints, de roulements, etc.
Simplicité de Production : L’utilisation de nouveaux matériaux simplifie radicalement la production, l’assemblage et la manutention.
Prix : En limitant les parties et l’assemblage, il va de soi que le prix diminue. Surtout quand on peut extruder ou imprimer en 3D et produire à coût marginal.
Précision : Dépendant du procédés de production, en l’absence de joints, le niveau de précision dépasse celui possible en mécanique classique.
Performance : Sans besoin de lubrification, silencieux, plus léger, les performances et la durabilité sont augmentés.
Proportionnalité : On peut changer d’échelle et de matériaux selon les besoins et conserver les mêmes principes : la souplesse est aussi relative à la taille, de minuscule à immense.
Portabilité : Plus léger, du fait du nombre réduit de pièces et de leur simplicité.
Prédictibilité : Les produits maintiennent leur performance dans le temps et sont généralement plus fiables

Pour atteindre ces objectifs, la simplicité et l’absence de joints sont deux principes poursuivis.

L’origami à la rescousse

L’origami permet de réaliser des formes en 3D à partir de plans en 2D que l’on déploie dans diverses directions, en une structure continue, sans coupure, autrement dit, sans joint. Le rapport pratique avec la mécanique souple est naturel. Avec les logiciels de traitement 3D, dont vous trouverez quelques exemples dans les références, l’origami peut entrer dans le monde de l’ingénierie. Non seulement la tradition a guidé les concepteurs, mais ces derniers ont fait passer l’origami à un autre niveau et permis la réalisations de structures à la fois utiles et esthétiques.

Nous n’en sommes qu’au début de cette discipline et déjà ses applications sont entrées dans notre quotidien sans trop que nous nous en apercevions. Vous avez peut-être déjà remarqué certains mécanismes souples dans des appareils électroniques récents. Ce n’est qu’un début ! Cette connaissance s’étend rapidement et commence à entrer dans les facultés de génie...

Références

BYU Compliant Mechanisms Research Group - https://www.compliantmechanisms.byu.edu/

Why Machines That Bend Are Better - https://www.youtube.com/watch?v=97t7Xj_iBv0

Handbook of Compliant Mechanisms par Larry L Howell - sur Google books
https://books.google.ca/books?hl=en&lr=&id=obD5SnfVUxkC&oi=fnd&pg=PR11&ots=ixfa-FdE-g&sig=ls1L3iiTdzb--A0LptdlPfEwmIw#v=onepage

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