Alors que depuis le milieu du XXème siècle on pilote les vérins pneumatiques grâce au même type de technologie de distributeurs, les recherches scientifiques sur les matériaux composites ont permis l’émergence de nouvelles technologies. L’une d’entre elles, la technologie piézoélectrique, pourrait radicalement changer l’utilisation des composants pneumatiques sur les lignes de production.
La technologie piézoélectrique, c’est quoi ?
Certains matériaux ont la propriété naturelle de produire une charge électrique en leur surface lorsqu’on les soumet à une contrainte mécanique. Ce principe s’appelle l’effet piézoélectrique. Ce sont les frères Pierre et Jacques Curie en 1880 suite à l’observation de certains cristaux de quartz qui le mettent en lumière. L’année suivante, le physicien français Gabriel Lippman découvre l’existence de l’effet inverse. En appliquant une charge électrique à l’un des cristaux, on obtient sa déformation.
Au début du XXème siècle, les applications utilisant l’effet piézoélectriques se sont multipliées : briquet, allume gaz, Sonar, phonographie…
C’est à partir des années cinquante que les cristaux de quartz sont peu à peu remplacés par les céramiques PZT (Titano-Zirconate de Plomb). Ces céramiques ont des coefficients piézoélectriques cent fois supérieurs à ceux des cristaux utilisés jusque-là. Ces céramiques facilitent l’exploitation de la technologie piézoélectrique.
Un actionneur piézoélectrique pour l’automatisme, ça ressemble à quoi ?
Selon le besoin ou l’application, l’effet piézoélectrique peut être exploité via différents types de convertisseurs : les convertisseurs à flexion ou les transducteurs disques.
Le convertisseur à flexion est une lamelle de forme rectangulaire composée de 2 couches. La première est une couche centrale en céramique piézoélectrique rendue conductrice, et la seconde se compose d’un matériau non piezo. Si on applique une tension électrique à cette lamelle, la partie céramique se dilate en direction du champ électrique. L’autre conservant sa taille, il en résulte un mouvement de torsion sur le côté libre.
Les applications des convertisseurs à flexion se trouvent dans les métiers de tricotage circulaire, les appareils de lecture pour non-voyants (modules Braille) et dans les distributeurs pneumatiques, en particulier dans les distributeurs proportionnels pour la régulation du débit et de la pression.
Le transducteur disque a quant à lui a la forme d’un disque céramique mince collé à un élément support métallique. Si on applique une tension à l’élément support et à l’électrode sur la céramique, il en résulte – comme pour le convertisseur à flexion – un allongement de la céramique en direction du champ électrique. Dans ce cas le disque s’épaissit et son diamètre diminue simultanément.
Les applications se situent dans le domaine des distributeurs de fluides tels que les systèmes d’injection diesel.
Explication du fonctionnement d’un injecteur piezo (en bas de page)
Pourquoi cette technologie est-elle avantageuse ?
Dans le monde des distributeurs à commande électrique, les distributeurs à bobines sont la norme absolue. Pourtant les distributeurs piézoélectriques offrent de nombreux avantages par rapport aux électrodistributeurs qui dominent le marché et ouvrent des champs d’application tout à fait nouveaux.
Tout d’abord la consommation énergétique pour la commande d’actionneur piézoélectrique est extrêmement faible : environ cent fois inférieure à une technologie de distributeurs classique, ce qui a par ailleurs l’avantage de ne générer aucune chaleur. Il est donc possible de concevoir des ensembles encore plus compacts et plus légers.
Le fait de consommer peu d’énergie permet aussi d’être intégré dans les atmosphères explosibles, car son installation est à sécurité intrinsèque. La quantité d’énergie est trop faible pour provoquer une ignition de l’atmosphère.
Cette technologie a aussi l’avantage d’être ultrarapide puisqu’il est possible d’atteindre des temps de commutation de l’ordre de la microseconde.
Enfin, la technologie piézoélectrique est proportionnelle. C’est une qualité très utile pour réaliser des systèmes de régulation pneumatiques asservis.
Pour quels types d’applications cette technologie peut être utile ?
Les applications de dosage et dépose de colle
Pour prévenir tout égouttement intempestif, il faut créer un vide dans les applications industrielles, après application d’une quantité donnée d’adhésif. Un dosage très précis est nécessaire, surtout dans le montage de petites pièces. Pour ce type d’applications, les distributeurs piézoélectriques seront plus rapides et plus précis.
La production de semi-conducteurs
Il s’agit ici de doser précisément des quantités infimes d’air pour répondre aux hautes exigences de traitement précis des composants. Lors du polissage des wafers, par exemple, l’application consiste à presser le wafer sur la table de polissage rotative, avec une pression réglée très précisément. C’est de cette manière qu’il est possible d’obtenir une surface totalement plane. Pour obtenir un résultat parfait, plusieurs bagues de diaphragme sont pressées sur le wafer avec une force différente. Ces contacts doivent être appliqués avec une précision extrême aussi bien par le vide que par la pression. Les distributeurs piézoélectriques peuvent réunir les deux fonctions sous un seul appareil, avec un gain de place.
Les respirateurs mobiles
Utilisés dans la technique médicale, ils ont des exigences très spéciales quant à leurs composants. Une construction compacte, un poids restreint, une utilisation prolongée sur batterie et un fonctionnement silencieux sont déterminants pour ne pas pénaliser la mobilité du patient. Les distributeurs piézoélectriques sont ici déjà utilisés avec succès et peuvent déployer toutes leurs capacités.
Des sièges confortables pour l’automobile
Les sièges auto comportent déjà aujourd’hui des distributeurs pneumatiques piézoélectriques. Ils permettent le gonflage et dégonflage rapides, précis et surtout silencieux de coussins d’air et renforcent le confort et la sensation de bien-être du conducteur. Les chambres d’air intégrées dans le dossier et les baquets s’adaptent de façon différente à la situation de conduite.
Grâce à ses propriétés, les distributeurs piézoélectriques offrent de toutes nouvelles possibilités pour les produits du futur. On trouve déjà des applications dans les domaines du médical. La possibilité de doser l’air comprimé de façon très précise et ciblée ainsi que l’encombrement extrêmement réduit par rapport à d’autres distributeurs sont des facteurs décisifs pour l’utilisation de la technologie piézoélectrique dans de nouveaux secteurs.
