1. Banc de friction de type joint facial
Ce banc permet d’étudier la thermique du frottement. Un tel dispositif présente l’avantage d’obtenir des transferts de chaleurs quasi-unidirectionnels lorsque l’épaisseur radiale des échantillons est faible devant leur rayon moyen. L’adjonction d’un élément isolant sur les faces radiales rend les transferts quasi unidirectionnels, condition favorables à la faisabilité de l’identification à partir de mesures de température. Cependant, une telle machine est limitée en chargement, donc en pression de contact, et en vitesse de rotation. Ces deux contraintes limitent donc le niveau de flux généré par frottement lors d’un essai. Sachant qu’il est difficile voire impossible d’avoir un contact homogène entre deux surfaces, ce montage est néanmoins celui qui permet d’obtenir la meilleure homogénéité de contact entre les deux solides en frottement. Le schéma cinématique présenté sur la Figure 1 illustre le principe de fonctionnement mécanique du dispositif expérimental. Il met en évidence l’échantillon mobile, relié au moteur (M) par une broche une courroie lisse. L’échantillon fixe coulisse librement en translation par rapport au bâti sous l’action de la charge normale, et permet la mesure du couple résistant en laissant la rotation libre (rotation dans le plan de contact). De plus, pour assurer la meilleure conformité des surfaces de contact, l’échantillon fixe est monté sur une rotule (réalisée à l’aide d’un double joint cardan).
Figure 1 : Schéma de principe de la machine
La Figure 2 présente le banc dans sa globalité ainsi que le système d’éprouvette avec l’élément chauffant permettant d’obtenir un gradient initial de températures.
Le dispositif expérimental est constitué de deux cylindres creux dont l’épaisseur est petite devant le rayon moyen et dont les surfaces radiales sont isolées. Ceci permet d’assurer un transfert de chaleur unidirectionnel, favorable à l’identification des paramètres de couplage thermique. Figure 2 représente le montage des deux éprouvettes. La détermination de la résistance de contact nécessite un gradient thermique à l’interface. Pour générer ce gradient indépendamment du niveau de flux généré, un élément chauffant est placé sur la face supérieure de l’un des échantillons (ici sur l’éprouvette mobile). L’éprouvette tournante est entraînée par un moteur électrique dont la vitesse de rotation est contrôlée. L’éprouvette fixe est montée sur un double joint cardan de façon à assurer la meilleure uniformité du contact entre les deux solides. Le chargement axial est transmis à cette éprouvette via ce cardan. Les températures sont mesurées à différentes hauteurs des éprouvettes par des thermocouples de type K de 100 µm de diamètre.
Figure 2 : Photos du banc
2. Thermomécanique
Le dispositif expérimental consiste en une barre d’acier, chauffée à son extrémité par un élément chauffant. De l’autre côté, la barre est fixée dans une pince, le déplacement étant nul. La mesure de la température est effectuée à différentes positions par des thermocouples de type K directement soudés au matériau. Une jauge de contrainte est fixée à la barre pour mesurer la déformation (Figure 3 (a)). Les positions des capteurs sont mesurées par analyse d’image. Le solide est isolé pour être placé dans des conditions similaires (dans) le modèle présenté (Figure 3 (b)).
Figure 3 : Banc instrumenté
Des exemples de mesures pour les températures et la déformation sont présentés sur la Figure 4. Les positions de la jauge de contrainte par rapport à la température imposée sont de 17,83 mm. Les évolutions de température sont définies comme l’élévation de la température, au-dessus de la température ambiante (ou température initiale). Récemment le banc a été équipé avec un capteur Keyence optique permettant de mesurer directement le déplacement, ce qui permet d’obtenir une mesure mécanique absolue et non plus relative comme c’était le cas avec l’utilisation des jauges de contraintes.
Figure 4 : Exemple de mesures (températures et déformations).
3. Banc expérimental détection de sources mobiles
Ce banc permet d’identifier entre autre des sources de chaleur mobile à partir de mesures effectuées par thermographie infrarouge sur la face arrière. Un laser continu YAG 532 nm est utilisé d’un pour chauffer une face d’un échantillon. Le laser se déplace à l’aide de deux rails contrôlés (longueur 690 mm et 1300 mm) avec une précision de 0,1 mm. La Figure 5 présente un schémas de l’installation.
Figure 5 – Principe du dispositif expérimental
a) Caméra IR (INFRATEC 9400) – b) Porte échantillon – c) Echantillon – d) Système d’acquistion – e) Soft de contrôle de la caméra (IRBIS3.1) – f) Shutter – g) Soft contrôle rails – h) Pilotage Laser – i) Laser – j) Rails
Figure 6 : Banc expérimental
Un automate ISEL-Automation C-142/4 est utilisé pour piloter les bras. L’interface de contrôle s’effectue soit par Matlab/Python soit par le logiciel Kynon Pro pour imposer vitesse et trajectoire. Sur l’autre face de l’échantillon, un dispositif de mesure est placé, par exemple une caméra infrarouge (INFRATEC IR-9400). Il est ainsi possible de réaliser des cartographies thermiques et par inversion de mesures de retrouver la conditions limites imposée sur l’autre face.
4. Banc caractérisation matériaux haute températures
Ce banc en cours de montage lors d’une thèse permet de caractériser les matériaux à haute température. Il est constitué d’un four tubulaire Nabetherm Haute Température (2200 °C) permettant la caractérisation d’un échantillon. Les deux côtés du tube permettent d’accéder à l’échantillon soit pour une excitation par laser, soit pour une mesure IR. Dans cette perspective, un laser CO2 100W permet d’exciter l’échantillon, ce qui permettra la caractérisation de matériaux capacitifs et diffusifs. Le four est visible sur la Figure 7.
Figure 7 : Four tubulaire Haute température Nabetherm.
5. Banc caractérisation de coefficient d’échange convectif local
Ce banc permet de mesurer par inversion de mesure un coefficient d’échange convectif localement, par exemple sur un composant électronique chaud sur une carte à température différente.
Le dispositif présenté sur la Figure 8 utilise une soufflerie subsonique dédiée. Elle dispose d’une veine d’essai de section carrée de 450*450 mm et de 650 mm de long. La veine peut être libre ou fermée selon les dispositifs testés. Elle est équipée d’un ventilateur à 6 pales entraîné par un moteur à courant continu de 15 kw. Le coefficient de contraction est de 7, la vitesse maximale est de 40 m/s et le taux de turbulence de l’ordre de 1%.
Figure 8 – : Soufflerie à retour de l’IUT de Ville d’Avray
La soufflerie est équipée d’une PIV 2D 1C 4 Hz de chez Dantec, d’une chaîne de mesure de vitesse par anémomètre à fil chaud, d’une balance aérodynamique 6 composantes de chez Sixaxes et d’une chaîne de mesure de pression de 64 capteurs stationnaires pilotés sous Labview. Les mesures thermiques y sont effectuées soit par camera IR, soit par thermocouple sur les échantillons testés. La Figure 9 présente une mesure d’une plaque chauffée par un laser en un point et soumise à un flux convectif contrôlé à sa surface.
Figure 9 – : Cartographie obtenue par mesure sur caméra IR Infratech 9400, Vitesse d’air 30 m/s, Puissance laser 300 mW en continu
Liste non exhaustive du matériel à disposition dans le laboratoire
| Objet | Modèle / Ref | Marque | |
| 1 | Caméra IR Flir | A 40 M | FLIR |
| 2 | Caméra IR Infratech | IR9400 | INFRATECH |
| 3 | Four | Four SN409216 9kW | Nabertherm |
| 4 | Camera pour PIV 2D | Caméra CMOS BEAMAGE-4M | DANTEC |
| 5 | Laser Yag pulsé | DualPower 65-15 Laser, 65 mJ. | DANTEC |
| 6 | Laser Yag continu | RayPower 5000, CW 5W laser | DANTEC |
| 7 | Laser Diode | 980LD-6-4-2 – 980 nm laser diode – 150 W | Aérodiode |
| 8 | Laser CO2 | Synrad ti 100W | Synrad |
| 9 | Automates depacements | Axe linéaire LES 100 cm, 59 cm et 39 cm | ISEL |
| 10 | Fluxmètre laser | Laser Power Meter. | DANTEC |
| 11 | Caméra pour laser | Affichages 2D,3D 1W Max | DANTEC |
| 12 | Chaines d’acquistions | Texas Instrument | |
| 13 | Hotdisk | TPS 2500s | HOTDISK |
| 14 | Capeur optométrique keyence | Keyence | |
| 15 | Capeurs IR keyence | Keyence | |
| 16 | Imprimante 3D | N2 Plus | Raise 3D |
| 17 | Soudeuse Laser Thermocouples | AVEC CAMERA 240J A 25 MS | Revox |