Les roulements en plastique réduisent le poids et améliorent la durabilité

Lorsque l'ingénieur Mark Doyle a commencé à élaborer des plans pour un exosquelette pour aider les chirurgiens en 2012, il voulait développer un produit léger qu'ils pourraient porter confortablement pendant de longues périodes. Doyle et son équipe de Levitate Technologies (San Diego, Californie) ont dû choisir avec soin les produits qui seraient inclus dans l'appareil, car toute once supplémentaire aurait pu rendre l'appareil inconfortable et peu maniable, mettant ainsi fin au développement avant qu'il n'entre en production.

"Demander à des êtres humains de porter une monture métallique et de faire leur travail n'est pas une tâche facile", a déclaré Joseph Zawaideh, vice-président du marketing et du développement commercial pour Levitate. "Nous avions besoin de quelque chose de léger, discret et capable de s'adapter au mouvement de l'utilisateur confortablement et sans interférence dans l'espace de travail. Il fallait une attention aux détails sur chaque vis et chaque boulon. Notre état d'esprit était 'si vous n'en avez pas besoin, ne l'ajoutez pas.'"

L'Airframe™ a été introduit sur le marché commercial en 2016. Alors qu'il fonctionnait pour les chirurgiens, d'autres industries ont rapidement appris sa disponibilité, et Levitate, voyant une opportunité de croissance commerciale significative, a réorienté son marketing vers les clients fabricants. Conçu de la même manière qu'un sac à dos, l'Airframe peut être ajusté à presque toutes les tailles de corps avec un cadre et des bretelles réglables. L'exosquelette soutient les membres supérieurs des professionnels et des travailleurs qualifiés qui sont exposés à des mouvements répétitifs des bras et/ou à une élévation stationnaire des bras.

Doyle et son équipe d'ingénieurs auraient pu utiliser des bagues en acier dans l'application. Au lieu de cela, ils ont choisi des roulements en plastique technique fabriqués par la société allemande igus. L'entreprise, qui possède une usine à Rhode Island, fabrique un assortiment de produits en plastique technique autolubrifiants, légers et sans entretien. Toutes ces propriétés, et plus encore, ont fait appel à Doyle dans la conception de The Airframe. Une unité contient 32 douilles en plastique igus. "Il y a beaucoup d'exosquelettes sur le marché", a déclaré Zawaideh. "C'est le plus léger du marché. Il est suffisamment léger pour que les travailleurs puissent le porter toute la journée."

La clé du poids léger de The Airframe réside dans les bagues. Les roulements en acier sont toujours beaucoup plus lourds que le plastique - jusqu'à six fois le poids. Dans une application telle que l'exosquelette, les bagues en plastique technique se sont avérées essentielles pour maintenir le poids au minimum.

La douille la plus largement utilisée dans The Airframe est l'iglide® G300, qui a une densité de 1,46 g/cm3, une valeur PV de 12 000 et une résistance à la traction de 30 460 à 68°. Les applications typiques incluent des charges moyennes à élevées, des vitesses de glissement moyennes et des températures moyennes. "C'est un roulement à usage général qui offre un bon mélange d'usure, de faible frottement et de coût raisonnable", a déclaré Doyle.

Doyle a choisi les bagues iglide® T500 et Z pour résister à des températures plus élevées dans l'exosquelette. La douille T500, d'une densité de 1,44 g/cm3, résiste à une température de 482° et a une résistance à la traction de 24 660 à 68 °F. La douille a une très faible absorption d'humidité et une résistance universelle aux produits chimiques. La douille Z (densité 1,40 g/cm3) est utilisée dans les applications nécessitant des charges dynamiques élevées et une résistance à l'usure. Les roulements sont adaptés à des températures allant jusqu'à 482° et ont une résistance à la compression de 9 425 psi. La série Z offre également un module d'élasticité de 348,1000.

Doyle a également sélectionné la bague iglide® M250 pour l'exosquelette - elle possède plusieurs qualités importantes, notamment en matière de fabrication. Chaque unité ne pèse que 1,14/g/cm3, mais peut absorber la saleté et amortir les vibrations, ce qui réduit le bruit et prolonge la durée de vie de la cellule.

L'utilisation de composants en plastique dans la conception de la cellule est conforme aux tendances croissantes de la production de plastiques. En 2016, la production mondiale de plastiques a atteint 335 millions de tonnes métriques. Le marché mondial des plastiques devrait atteindre environ 654 milliards de dollars d'ici 2020, selon une étude réalisée en 2015 par Grand View Research, Inc.

La réduction de poids est l'un des principaux moteurs de la tendance à privilégier les composants en plastique plutôt que l'acier et les autres métaux. L'industrie automobile a adopté la tendance des plastiques depuis des années pour réduire le poids des véhicules. Aujourd'hui, de nombreux ingénieurs et concepteurs cherchent des moyens d'utiliser des plastiques dans leurs projets, principalement pour réduire le poids et améliorer la durabilité. De nombreux projets de construction utilisent également des composants de construction en plastique pour remplacer le bois, l'acier et le béton. Les entreprises utilisent également des plastiques pour créer des composants structurels pour les bâtiments, les ponts et les chemins de fer.

Les plastiques sont particulièrement répandus dans la construction automobile. En 2014, des composites plastique/polymère totalisant en moyenne 430 $ par véhicule ont été utilisés dans les véhicules légers en Amérique du Nord.

L'Airframe transfère le poids des bras des épaules, du cou et du haut du dos vers le tronc grâce à des coussinets qui reposent sur l'extérieur des hanches, soulageant ainsi les tensions musculaires et articulaires. En transférant la charge des membres supérieurs, l'appareil aide à maintenir des performances de haute qualité, protège la santé et améliore les conditions de travail globales.

L'unité est flexible et évolutive pour les personnes de toutes tailles, s'enfile et s'enlève facilement et se déplace de manière transparente avec le porteur sans limiter la dextérité ni empiéter sur l'espace de travail. Le système de support mécanique s'active progressivement lorsque le bras est levé et se relâche progressivement lorsque le bras est abaissé pour fournir le bon niveau de support à chaque point du mouvement. La cellule réduit les niveaux d'effort jusqu'à 80 %.

"La différence entre The Airframe et les autres exosquelettes actuellement sur le marché est qu'il est très léger et extrêmement confortable", a déclaré Doyle. "Cela rend le mouvement très naturel." La cellule est maintenant utilisée dans les usines de fabrication de l'aérospatiale et de l'assemblage d'avions, de la machinerie lourde, de la construction navale, de l'agriculture, du papier et des industries chimiques. Même la marine américaine utilise The Airframe pour les travaux de maintenance.

Des tests ont confirmé l'efficacité de l'exosquelette. Sur une période de cinq jours dans une usine de fabrication où les soudeurs et les peintres portaient The Airframe, la productivité et la qualité ont augmenté. Dans les tâches dynamiques où les peintres portaient The Airframe, la quantité qu'ils pouvaient peindre a augmenté de 53 % avant que leurs muscles ne se fatiguent. La qualité s'est également améliorée, car l'exosquelette a aidé les sujets à maintenir une main ferme tout en effectuant des tâches. Les tests de tâches statiques dans l'évaluation des soudeurs ont vu une augmentation de 86 % de la productivité et une augmentation de la qualité. Les soudeurs ont pu réaliser des soudures réussies sur une période beaucoup plus longue tout en portant The Airframe, selon les statistiques fournies par Levitate.

La cellule pourrait également aider les travailleurs à rester en bonne santé. Une évaluation des risques en matière de sécurité et d'ergonomie chez un constructeur automobile a révélé que The Airframe réduisait le stress physique au travail de 20 %. "Les avantages de cet appareil ont été incroyables", a déclaré Terry Butler, ancien directeur de l'environnement, de la santé et de la sécurité chez Vermeer Corporation, un fabricant d'équipements industriels et agricoles de l'Iowa. "Les membres de l'équipe qui ont utilisé cet outil sont plus qu'heureux de l'utiliser et ont vu des activités de travail plus prolongées sans se sentir fatigués à la fin de leur quart de travail."

Cet article a été écrit par Thomas Renner pour igus, East Providence, RI. Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2018 de Motion Design Magazine.

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