Développement de muscles artificiels spiralés à base de filaments composites Kevlar/Polyuréthane thermoplastique pultrudés

L’étude menée a pour objectif le développement de muscles artificiels spiralés à base de filament Kevlar/Thermoplastique polyuréthane (TPU) produit par pultrusion thermoplastique. Afin d’accomplir cet objectif, quatre axes de recherches ont été établis. Le premier axe est le développement du procédé de fabrication de filament composite Kevlar/TPU de 1mm de diamètre. L’équipement nécessaire pour faire usage de la pultrusion thermoplastique à filières multiples et filière de refroidissement par tube à paroi mince a été développé. La matière première de pultrusion vient de fils de Kevlar et de TPU réunis par assemblage par torsion. Plusieurs configurations de filaments, dont l’angle de torsion varie entre 5°, 10°, 15° et 20°, ont été produites avec un diamètre de 1mm. Le deuxième axe est la mise en forme des filaments tordus de polymère renforcé en muscle artificiel spiralé. La formation des spires est accomplie par la méthode d’insertion de spires par torsion (IST). Cette méthode consiste à tordre le filament sous tension jusqu’à la formation de spires spontanées une fois le point d’instabilité du filament atteint. La formation de nodules sphériques le long du filament est observée durant la torsion. Ces nodules sont composés de replis des fibres internes du filament. Les muscles spiralés finaux possèdent en moyenne 5,6 ± 0.3 spires par centimètres et un indice de ressort inférieur à 1. La forme finale des muscles produits par IST est figée par une stabilisation thermique à 100°C. Les muscles stabilisés peuvent être stockés au repos sans réduction de leur torsion ou la perte de spires. Le troisième axe est l’activation thermique des muscles spiralés. La plage de température d’opération des muscles est de 25°C à 105°C. Une masse de 400g est fixée aux muscles lors de leur activation thermique, les configurations de 5°, 10°, 15° et 20° produisent des activations de 3,5% ± 0.6%, 4,3% ± 0,3%, 6,1% ± 0,9% et 5,1% ± 0,5% respectivement. L’activation des muscles est hautement linéaire sur toute la plage de température, excepté pour le muscle de 20° dont la courbe d’activation s’affaiblit au-delà de 60°C. L’activation du muscle de 15° a été testée avec des masses allant de 400g à 1000g. L’augmentation de la masse cause l’étirement graduel du muscle, mais elle ne semble pas affecter son pourcentage d’activation. Les muscles de polymère renforcé existants utilisant les fibres de carbone et silicone Polydiméthylsiloxane soulèvent une masse de 1890g avec une contraction de 25%. Les muscles Kevlar/TPU produits soulèvent une masse de 1000g avec une contraction de 6,3%.