Magazine Lundi 6 janvier 2020 - 10:52

Projet AMAR, conception et fabrication de pièces avec conducteurs électriques intégrés

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AMAR est un projet lié à la conception d’un rotor de collecteur électrique à l’aide de la fabrication additive. Financé par la division « Affaires spatiales » du secrétariat d’État à la formation, à la recherche et à l’innovation suisse, ce projet a été réalisé par RUAG Slip Rings SA (RSSR), conjointement avec le CSEM. Chacun des partenaires a apporté sa propre expertise : respectivement la conception des rotors de collecteurs et la refonte d’un produit existant basé sur des technologies de fabrication avancées.

Par L. Kiener, H. Saudan, F. Cochet, M. Henry, M. Miler

Les collecteurs (slip ring assembly rotor, SRA en anglais) sont des dispositifs de continuité électrique destinés à transférer des signaux électriques d’un élément fixe à un élément rotatif. Ils sont utilisés sur terre pour une large gamme d’applications telles que la vidéosurveillance, les machines-outils ou encore les simulateurs de mouvement. Dans l’espace, les SRA sont des éléments récurrents dans les mécanismes d’entraînement des panneaux solaires (SADM), les mécanismes de pointage des antennes, les gyroscopes à impulsions et dans d’autres instruments des satellites. Actuellement, le rotor d’un SRA possède une architecture physique de pointe avec un empilement de bagues isolantes et conductrices de haute précision. Chaque bague est soudée manuellement à un fil électrique, lui-même dirigé vers l’extrémité du rotor. Ces anneaux empilés sont reliés à un arbre central structurel et l’ensemble est stabilisé mécaniquement par une matrice de résine coulée (voir figure 1).

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De nombreux composants, de fabrication longue et complexe

Aujourd’hui, la fabrication de rotors SRA est un processus long et délicat impliquant un grand nombre de composants et d’opérations de fabrication. En règle générale, le nombre de composants augmente avec le nombre de canaux électriques à inclure dans le rotor, suivant un facteur multiplicatif de 3 – c’est-à-dire que chaque canal comporte trois composants : un anneau isolant, un anneau conducteur et un fil électrique. Les travaux de fabrication et d’assemblage augmentent également avec le nombre de canaux électriques, de même que les problèmes de fiabilité. Dans ce contexte, des projets de R&D, comme AMAR, sont menés pour améliorer ces composants mais également faciliter leur conception, réduire le nombre de pièces et diminuer le temps d’assemblage.

Les SRA font partie des produits phares de RUAG Slip Rings SA (RSSR). En 2017, l’industriel avait donc fixé des objectifs stratégiques pour le développement de ces pièces, à savoir réduire les coûts de fabrication et d’assemblage de plus de 40 %, tout en améliorant la fiabilité globale et la répétabilité du produit final. La nouvelle conception devait également permettre de réduire la masse du rotor et d'éviter l’utilisation de câbles qui font partie de l’architecture physique actuelle.

Passage à des conceptions monolithiques

Pour atteindre ces objectifs, le CSEM a développé un nouveau concept de conception et de fabrication qui permet de fusionner les deux caractéristiques essentielles du rotor SRA : la structure mécanique et les conducteurs électriques, incluant leurs interfaces de connexion électrique. Les pièces produites peuvent prendre différentes formes et s’adapter ainsi à un large éventail de spécifications de produits. Grâce à la suppression des câbles, il est possible d’envisager des conceptions monolithiques de composants électromécaniques comportant des fils conducteurs intégrés, ce qui permet de simplifier considérablement la séquence de montage.

Le concept de conception générique et patentée est illustré par la figure 2. Il repose sur la fabrication additive d’une structure monolithique comprenant une coque structurelle et une pluralité de fils électriques reliés, mécaniquement, à la coque par des ponts sacrificiels. Différentes technologies additives peuvent être appliquées en fonction des exigences de conception. Dans un deuxième temps, la structure est remplie d’un matériau isolant qui est ensuite durci. Enfin, les ponts sacrificiels sont enlevés au moyen d’un procédé soustractif conventionnel. Le composant qui en résulte est une pièce mécanique dotée d’un conducteur électrique intégré. La terminaison des fils peut prendre différentes formes pour réaliser la fonction d’interfaces de connexion électrique, telles que les contacts à broches, à sertir, à ressort ou à bague collectrice. La forme des extrémités du fil « A » et « B » peut être directement réalisée lors de l’étape de fabrication ou refaçonnée lors du ré-usinage, lorsque la haute précision est requise. La coque structurelle peut également être améliorée avec des caractéristiques supplémentaires telles que des interfaces mécaniques, des surfaces de référence, des éléments de flexion, des structures en treillis et bien d’autres.

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Une conception sans matériau de support

La figure 3 décrit la nouvelle architecture physique de la partie rotor du SRA de manière simplifiée. Les fils intégrés sont tous réunis dans un plan imaginaire 2D. La conception comprend douze interfaces de bagues collectrices de forme annulaire sur les terminaisons « A » et douze interfaces de brasage sur les terminaisons « B ». Les bagues collectrices sont incluses dans la structure monolithique. Après coulée et durcissement, la coque extérieure est usinée par tournage. Les anneaux restent encapsulés dans la résine. La rigidité structurelle du rotor est désormais assurée par la structure métallique restante et par la résine.

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Cette nouvelle conception a été élaborée conjointement par le RSSR et le CSEM. Les géométries ont été définies de manière à ce que l’utilisation d'un matériau de support puisse être complètement évitée, ce qui permet de garantir des canaux électriquement indépendants. Selon les versions prototypes, le diamètre des fils intégrés a été réglé dans une plage de 0,5 à 1 mm. Deux alternatives de terminaison du fil « B » ont été mises en œuvre : des trous de picots à souder orientés axialement et des berceaux à souder orientés radialement. Le diamètre extérieur du rotor après usinage final est un cylindre de 33 mm de diamètre et 44 mm de hauteur.

Fabrication additive de rotors SRA

La fabrication du rotor SRA a été réalisée par fusion sélective par laser (procédé SLM), à partir d’un alliage d’aluminium standard AlSi10Mg. Après impression, suivent les étapes habituelles de posttraitement : séparation et nettoyage des pièces. Les rotors sont ensuite remplis d’une résine époxy durcie, puis les pièces sont usinées afin d’enlever la coque externe et les ponts sacrificiels. Une couche d’or – identique à celle des rotors classiques –est finalement appliquée sélectivement sur la surface des bagues collectrices afin d’améliorer les performances tribologiques et électriques du rotor. Pour finir, les câbles sont soudés à la pièce finale qui est ensuite été montée sur un banc d’essai de performances.

La fabrication additive a permis de réduire les composants de plus de 70 pièces à une seule. Elle a également permis de diminuer les efforts de fabrication et d’assemblage. Elle offre une réduction significative de la masse totale de la pièce, puisque l’arbre central peut être supprimé ou optimisé. La nouvelle architecture physique du rotor ne comporte plus de câbles, ce qui contribue à améliorer la fiabilité du système.

Résultats finaux et conclusion

La fabrication additive a permis de réaliser un grand nombre de prototypes et de tests de conception. Ces multiples itérations nous ont permis de comprendre en profondeur les paramètres pertinents pour une mise en œuvre réussie du projet. Les propriétés électriques du prototype du rotor SRA – continuité électrique, résistance d’isolement et résistance diélectrique – ont été entièrement validées. Le bruit électrique dynamique et les performances sur la durée de vie ont également été vérifiés, montrant des résultats satisfaisants pour les applications SADM destinées aux missions en orbite terrestre basse (LEO) et en orbite géostationnaire (GEO). Un ensemble d’améliorations a été apporté à la prochaine génération de prototypes afin d'optimiser encore certaines caractéristiques clés telles que le bruit électrique dynamique et la compacité du rotor.

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Sur la base d’une analyse préliminaire effectuée à la fin du projet, l’objectif de réduction des coûts de 40 % est considéré comme réaliste. Ces résultats très positifs ont ouvert la voie à la poursuite du projet. Le développement se poursuit actuellement avec un deuxième projet supervisé par l’Agence spatiale européenne (ESA) afin de définir pleinement les géométries de conception et les paramètres du procédé. Le prototype final sera ensuite être totalement qualifié pour une utilisation spatiale. Nous sommes convaincus que bien d’autres produits pourraient bénéficier de ces évolutions dans les outils de fabrication. RSSR et CSEM tiennent à remercier 3D Précision et Protoshape pour leur participation active au projet.

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Contenu Encadré

Le projet AMAR

Clients : RUAG Slip Rings SA et CSEM SA

Fabricants : 3D Précision et Protoshape

Technologie : fusion sélective par laser (SLM)

Matériaux : aluminium et cuivre

Machines : Concept Laser et SLM Solutions

Quantités : plus de dix prototypes

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