Ressorts : Comment ils stockent l'énergie et reprennent leur forme

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Un ressort est un dispositif qui change de forme en réponse à une force externe, reprenant sa forme originale quand la force est retirée. L'énergie dépensée pour déformer le ressort y est stockée et peut être récupérée quand le ressort reprend sa forme. Généralement, l'amplitude du changement de forme est directement liée à l'amplitude de la force exercée. Si une force trop grande est appliquée, cependant, le ressort se déformera de façon permanente et ne reprendra jamais sa forme originale.

Contexte

Il existe plusieurs types de ressorts. L'un des plus courants consiste en un fil enroulé en forme cylindrique ou conique. Un ressort de traction est un ressort enroulé dont les spires se touchent normalement ; quand une force est appliquée pour étirer le ressort, les spires se séparent. En contraste, un ressort de compression est un ressort enroulé avec de l'espace entre spires successives ; quand une force est appliquée pour raccourcir le ressort, les spires sont poussées l'une vers l'autre. Un troisième type de ressort enroulé, appelé ressort de torsion, est conçu pour que la force appliquée torsade la spire en une spirale plus serrée. Des exemples courants de ressorts de torsion se trouvent dans les presse-papiers et pinces à cheveux papillon.

Une autre variante de ressorts enroulés est le ressort de montre, enroulé en spirale plate plutôt qu'en cylindre ou cône. Une extrémité du ressort est au centre de la spirale, l'autre à son bord extérieur.

Certains ressorts sont façonnés sans spires. L'exemple le plus courant est le ressort à lames, formé comme une arche peu profonde ; il est couramment utilisé pour les systèmes de suspension automobile. Un autre type est le ressort disque, un dispositif type rondelle en forme de cône tronqué. Des cylindres à cœur ouvert de matériau solide et élastique peuvent aussi agir comme ressorts. Les ressorts sans spires fonctionnent généralement comme ressorts de compression.

Histoire

Des ressorts simples sans spires ont été utilisés à travers l'histoire. Même une branche d'arbre résiliente peut servir de ressort. Des dispositifs à ressort plus sophistiqués datent de l'Âge du Bronze, quand des pinces à sourcils étaient courantes dans plusieurs cultures. Au IIIe siècle av. J.-C., l'ingénieur grec Ctésibios d'Alexandrie développa un procédé pour faire du « bronze ressort » en augmentant la proportion d'étain dans l'alliage cuivre, coulant la pièce, et la durcissant par martelage. Il tenta d'utiliser une combinaison de ressorts à lames pour actionner une catapulte militaire, mais ils n'étaient pas assez puissants. Au IIe siècle av. J.-C., Philon de Byzance, un autre ingénieur de catapultes, construisit un dispositif similaire, apparemment avec quelque succès. Les cadenas étaient largement utilisés dans l'Empire romain, et au moins un type utilisait des lames métalliques courbées pour maintenir les dispositifs fermés jusqu'à ce que les lames soient compressées par les clés.

Le développement significatif suivant dans l'histoire des ressorts survint au Moyen Âge. Une scie motorisée conçue par Villard de Honnecourt vers 1250 utilisait une roue à eau pour pousser la lame de scie dans un sens, pliant simultanément un poteau ; quand le poteau reprenait son état non plié, il tirait la lame de scie dans le sens opposé.

Les ressorts enroulés furent développés au début du XVe siècle. En remplaçant le système de poids qui alimentait couramment les horloges par un mécanisme à ressort enroulé, les horlogers Un diagramme représentant l'enroulement de ressort par machine à commande numérique. purent créer des dispositifs de mesure du temps fiables et portables. Cette avancée rendit la navigation céleste précise possible pour les navires océaniques.

Au XVIIIe siècle, la Révolution industrielle stimula le développement de techniques de production de masse pour les ressorts. Pendant les années 1780, le serrurier britannique Joseph Bramah utilisa une machine à enrouler les ressorts dans son usine. Apparemment une adaptation d'un tour, la machine portait une bobine de fil à la place d'une tête de coupe. Le fil de la bobine était enroulé autour d'une tige fixée dans le tour. La vitesse du vis de guidage, qui portait la bobine parallèlement à la tige rotative, pouvait être ajustée pour varier l'espacement des spires du ressort.

Des exemples courants d'usage actuel des ressorts vont des minuscules spires soutenant les touches des pavés tactiles de téléphones cellulaires aux énormes spires supportant des bâtiments entiers et les protégeant des vibrations sismiques.

Matières premières

Les alliages d'acier sont les matériaux de ressort les plus couramment utilisés. Les alliages les plus populaires incluent le haut carbone (comme le fil de musique utilisé pour les cordes de guitare), le bas carbone revenu à l'huile, le chrome silicium, le chrome vanadium, et l'acier inoxydable.

D'autres métaux parfois utilisés pour faire des ressorts sont l'alliage cuivre-béryllium, le bronze phosphoreux, et le titane. Le caoutchouc ou l'uréthane peuvent être utilisés pour les ressorts cylindriques sans spires. Un matériau céramique a été développé pour les ressorts enroulés en environnements à très haute température. Des matériaux composites en fibres de verre unidirectionnelles sont testés pour une utilisation possible dans les ressorts.

Conception

Diverses équations mathématiques ont été développées pour décrire les propriétés des ressorts, basées sur des facteurs comme la composition et la taille du fil, le diamètre des spires, le nombre de spires, et l'amplitude de la force externe attendue. Ces équations ont été intégrées dans des logiciels informatiques pour simplifier le processus de conception.

Processus de fabrication

La description suivante se concentre sur la fabrication de ressorts enroulés en alliage d'acier.

Enroulement

• 1 Enroulement à froid. Le fil jusqu'à 18 mm de diamètre peut être enroulé à température ambiante selon deux techniques de base. L'une consiste à enrouler le fil autour d'un arbre appelé mandrin ou mandrin. Cela peut se faire sur une machine dédiée à l'enroulement de ressorts, un tour, une perceuse électrique à main avec le mandrin fixé dans le mandrin, ou une machine à enroulement actionnée à la manivelle. Un mécanisme de guidage, comme le vis de guidage sur un tour, doit être utilisé pour aligner le fil dans le pas désiré (distance entre spires successives) pendant qu'il s'enroule autour du mandrin.

  Alternativement, le fil peut être enroulé sans mandrin. Cela se fait généralement avec une machine à commande numérique (CNC). Exemples de différents types de ressorts. Le fil est poussé vers l'avant sur un bloc de support vers une tête rainurée qui dévie le fil, le forçant à plier. La tête et le bloc de support peuvent être déplacés l'un par rapport à l'autre dans jusqu'à cinq directions pour contrôler le diamètre et le pas du ressort en formation.

  Pour les ressorts de traction ou de torsion, les extrémités sont pliées dans les boucles, crochets, ou sections droites désirées après la fin de l'opération d'enroulement.

• 2 Enroulement à chaud. Un fil plus épais ou une barre peuvent être enroulés en ressorts si le métal est chauffé pour le rendre flexible. Les machines d'enroulement industrielles standard peuvent gérer de l'acier en barre jusqu'à 75 mm de diamètre, et des ressorts sur mesure ont été rapportés faits de barres jusqu'à 150 mm d'épaisseur. L'acier est enroulé autour d'un mandrin tout en étant rougeoyant. Il est alors immédiatement retiré de la machine d'enroulement et plongé dans l'huile pour le refroidir rapidement et le durcir. À ce stade, l'acier est trop cassant pour fonctionner comme un ressort, et il doit ensuite être revenu.

Durcissement

• 3 Traitement thermique. Que l'acier ait été enroulé à chaud ou à froid, le processus a créé des contraintes dans le matériau. Pour soulager ces contraintes et permettre à l'acier de maintenir sa résilience caractéristique, le ressort doit être revenu par traitement thermique. Le ressort est chauffé dans un four, maintenu à la température appropriée pendant un temps prédéterminé, puis laissé refroidir lentement. Par exemple, un ressort en fil de musique est chauffé à 260 °C pendant une heure.

Finition

• 4 Meulage. Si le design exige des extrémités plates sur le ressort, les extrémités sont meulées à cette étape. Le ressort est monté dans un montage pour assurer l'orientation correcte pendant le meulage, et maintenu contre une meule abrasive rotative jusqu'à obtention du degré de planéité désiré. Quand un équipement hautement automatisé est utilisé, le ressort est maintenu dans un manchon pendant que les deux extrémités sont meulées simultanément, d'abord par des meules grossières puis par des meules plus fines. Un fluide approprié (eau ou substance à base d'huile) peut être utilisé pour refroidir le ressort, lubrifier la meule, et emporter les particules pendant le meulage.
• 5 Grenaillage. Ce processus renforce l'acier pour résister à la fatigue métallique et aux fissures pendant sa durée de vie de flexions répétées. Toute la surface du ressort est exposée à une barrage de minuscules billes d'acier qui la martèlent pour la lisser et comprimer l'acier juste sous la surface.
• 6 Calibrage. Pour fixer définitivement la longueur et le pas désirés du ressort, il est entièrement compressé de sorte que toutes les spires se touchent. Certains fabricants répètent ce processus plusieurs fois.

• 7 Revêtement. Pour prévenir la corrosion, toute la surface du ressort est protégée en le peignant, le trempant dans du caoutchouc liquide, ou le plaquant avec un autre métal comme le zinc ou le chrome. Un procédé, appelé placage mécanique, implique de faire culbuter le ressort dans un conteneur avec de la poudre métallique, de l'eau, des produits chimiques accélérateurs, et de minuscules billes de verre qui martèlent la poudre métallique sur la surface du ressort.

  Alternativement, dans le placage électrolytique, le ressort est immergé dans un liquide conducteur qui corrodera le métal de placage mais pas le ressort. Une charge électrique négative est appliquée au ressort. Aussi immergé dans le liquide est un approvisionnement du métal de placage, qui reçoit une charge positive. Au fur et à mesure que le métal de placage se dissout dans le liquide, il libère des molécules chargées positivement qui sont attirées par le ressort chargé négativement, où elles se lient chimiquement. Le placage électrolytique rend les ressorts en acier au carbone cassants, donc peu de temps après le placage (moins de quatre heures) ils doivent être cuits à 160-190 °C pendant quatre heures pour contrer la fragilisation.

• 8 Emballage. Les quantités désirées de ressorts peuvent simplement être emballées en vrac dans des boîtes ou sacs plastiques. Cependant, d'autres formes d'emballage ont été développées pour minimiser les dommages ou l'emmêlement des ressorts. Par exemple, ils peuvent être ensachés individuellement, enfilés sur fils ou tiges, enfermés dans des tubes, ou fixés sur du papier adhésif.

Contrôle qualité

Divers dispositifs de test sont utilisés pour vérifier les ressorts finis pour conformité aux spécifications. Les dispositifs mesurent des propriétés comme la dureté du métal et l'amplitude de la déformation du ressort sous une force connue. Les ressorts ne répondant pas aux spécifications sont rejetés. L'analyse statistique des résultats de test peut aider les fabricants à identifier les problèmes de production et améliorer les processus pour produire moins de ressorts défectueux.

Environ un tiers des ressorts défectueux résultent de problèmes de production. Les deux autres tiers sont causés par des déficiences dans le fil utilisé pour former les ressorts. En 1998, des chercheurs rapportèrent le développement d'un test d'enroulabilité de fil (appelé FRACMAT) qui pourrait éliminer les fils inadéquats avant la fabrication des ressorts.

Les machines d'enroulement à commande informatique améliorent la qualité de deux façons. Premièrement, elles contrôlent le diamètre et le pas du ressort plus précisément que les opérations manuelles. Deuxièmement, grâce à l'utilisation de matériaux piézoélectriques, dont la taille varie avec l'entrée électrique, les têtes d'enroulement CNC peuvent s'ajuster précisément en temps réel aux mesures des caractéristiques du ressort. En résultat, ces machines intelligentes produisent moins de ressorts qui doivent être rejetés pour non-conformité aux spécifications.

L'avenir

Les demandes des industries informatiques et téléphones cellulaires en croissance rapide poussent les fabricants de ressorts à développer des techniques fiables et rentables pour faire des ressorts très petits. Les ressorts soutenant les touches des pavés tactiles et claviers sont importants, mais il y a des applications moins apparentes aussi. Par exemple, un fabricant d'équipement de test utilisé dans la production de semi-conducteurs a développé une technologie de contact par micro-ressorts. Des milliers de minuscules ressorts, seulement 1 mm de haut, sont liés à des points de contact individuels d'une wafer semi-conducteur. Quand cette wafer est pressée contre un instrument de test, les ressorts se compressent, établissant des connexions électriques hautement fiables.

Les dispositifs médicaux utilisent aussi des ressorts très petits. Un ressort enroulé a été développé pour l'extrémité d'insertion d'un cathéter ou d'un endoscope. Fait de fil de 0,030 mm de diamètre, le ressort fait 0,092 mm d'épaisseur — à peu près l'équivalent d'un cheveu humain. L'entreprise japonaise qui a développé ce ressort tente de le rendre encore plus petit.

La miniaturisation ultime accomplie à ce jour le fut en 1997 par un chimiste autrichien nommé Bernard Krautler. Il construisit un ressort moléculaire en enchainant 12 atomes de carbone et en attachant une molécule de vitamine B12 à chaque extrémité de la chaîne par un atome de cobalt. Dans l'état relâché, la chaîne a une forme en zigzag ; quand elle est mouillée avec de l'eau, cependant, elle se replie étroitement. L'ajout de cyclodextrine fait revenir la chaîne à son état relâché. Aucune application pratique de ce ressort n'a encore été trouvée, mais la recherche continue.