Éco-conception et validation d’un système levage à vis (Screw Lift Mechanism)

Abstract

Ce mémoire porte sur la conception, la modélisation, la fabrication et l'étude d'un système de levage à vis trapézoïdale intégrant un écrou anti-jeu destiné à réduire le phénomène de backlash et à améliorer la précision du positionnement. Bien que les systèmes vis–écrou soient largement utilisés pour leur simplicité, leur robustesse et leur efficacité dans la transformation d'un mouvement de rotation en un mouvement de translation, leurs performances demeurent limitées par le jeu mécanique, qui affecte la précision, la répétabilité et la qualité du positionnement. Le système proposé a été conçu et modélisé en trois dimensions à l'aide du logiciel SolidWorks 2025. L'ensemble des composants a été assemblé virtuellement afin de vérifier la cohérence géométrique du mécanisme, son bon fonctionnement et l'absence d'interférences. Une simulation cinématique réalisée sous SolidWorks Motion a permis de valider le comportement du système en mettant en évidence une vitesse de translation de 2 mm/s, conforme aux calculs théoriques, ainsi qu'un jeu axial résiduel limité à 0,08 mm grâce au dispositif anti-jeu. Les modèles numériques ont ensuite été fabriqués par impression 3D selon le procédé de dépôt de filament fondu (FDM), permettant la réalisation d'un prototype fonctionnel. Par ailleurs, une étude numérique par éléments finis réalisée sous Abaqus a permis d'analyser la répartition des contraintes, les déplacements et le comportement mécanique du système sous différentes conditions de chargement. Une comparaison de trois matériaux compatibles avec la fabrication additive (PolyMax PLA, PLA-CF et PETG-CF) a montré que le PLA-CF constitue le meilleur compromis entre rigidité, résistance mécanique et précision de positionnement. Les résultats obtenus démontrent que la solution développée permet de réduire efficacement le backlash tout en conservant une architecture mécanique simple, robuste et facilement reproductible. Ce travail met ainsi en évidence l'intérêt de l'association entre la conception assistée par ordinateur, la simulation numérique, la fabrication additive et l'éco-conception pour le développement de systèmes de levage précis, économiques et adaptés au prototypage fonctionnel. Mots-clés : Vis trapézoïdale ; Écrou anti-jeu ; Backlash ; SolidWorks ; Abaqus ; Fabrication additive ; Impression 3D ; Éco-conception ; Analyse par éléments finis ; Précision de positionnement. Abstract This dissertation focuses on the design, modeling, fabrication, and analysis of a trapezoidal lead screw lifting system incorporating an anti-backlash nut intended to reduce backlash and improve positioning accuracy. Although screw–nut mechanisms are widely used because of their simplicity, robustness, and efficiency in converting rotary motion into linear motion, their performance is often limited by mechanical clearance, which adversely affects positioning accuracy, repeatability, and overall system performance. The proposed system was designed and modeled in three dimensions using SolidWorks 2025. All components were virtually assembled to verify the geometric consistency of the mechanism, ensure proper operation, and detect any possible interferences. A kinematic simulation performed using SolidWorks Motion validated the system behavior, demonstrating a linear translation speed of 2 mm/s, in agreement with theoretical calculations, together with a residual axial backlash limited to 0.08 mm owing to the anti-backlash mechanism. The numerical models were subsequently manufactured using Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printing, resulting in a functional prototype. In addition, a finite element analysis (FEA) carried out with Abaqus was performed to investigate the stress distribution, displacement fields, and mechanical behavior of the system under different loading conditions. A comparative study involving three additive manufacturing materials (PolyMax PLA, PLA-CF, and PETG-CF) demonstrated that PLA-CF provides the best compromise between stiffness, mechanical strength, and positioning accuracy. The obtained results demonstrate that the proposed solution effectively reduces backlash while maintaining a simple, robust, and easily manufacturable mechanical architecture. This work highlights the benefits of combining computer-aided design, numerical simulation, additive manufacturing, and ecodesign principles for the development of accurate, cost-effective, and reliable lifting systems. Keywords: Trapezoidal lead screw; Anti-backlash nut; Backlash; SolidWorks; Abaqus; Additive manufacturing; 3D printing; Eco-design; Finite Element Analysis (FEA); Positioning accuracy. الملخص تتناول هذه المذكرة تصميم ونمذجة وتصنيع ودراسة نظام رفع يعتمد على لولب شبه منحرف مزود بصامولة مانعة للخلوص (Nut Backlash-Anti (، بهدف الحد من ظاهرة الخلوص الميكانيكي (Backlash( وتحسين دقة التموضع. وعلى الرغم من أن أنظمة اللولب والصامولة تُستخدم على نطاق واسع لما تتميز به من بساطة ومتانة وكفاءة في تحويل الحركة الدورانية إلى حركة انتقالية، إال أن أداءها يتأثر بوجود الخلوص الميكانيكي، الذي ينعكس سلبًا على دقة التموضع وقابلية التكرار وجودة األداء الميكانيكي .تم تصميم النظام المقترح ونمذجته ثالثي األبعاد باستخدام برنامج2025 SolidWorks ، كما تم تجميع جميع مكوناته افتراضيًا للتحقق من سالمة التجميع، والتوافق الهندسي، وخلو اآللية من أي تداخالت ميكانيكية. وأظهرت المحاكاة الحركية المنجزة بواسطة Motion SolidWorks توافق أداء النظام مع الحسابات النظرية، حيث بلغت سرعة الحركة الخطية 2 مم/ثانية، مع خفض الخلوص المحوري المتبقي إلى 0.08 مم بفضل آلية الصامولة المانعة للخلوص .بعد ذلك، تم تصنيع النموذج األولي باستخدام تقنية الطباعة ثالثية األبعاد ُ بالترسيب المنصهر(FDM (، مما أتاح الحصول على نموذج وظيفي قابل للتجريب . كما جريت أ دراسة عددية باستخدام برنامج Abaqus اعتمادًا على طريقة العناصر المحددة لتحليل توزيع اإلجهادات واإلزاحات ودراسة السلوك الميكانيكي للنظام تحت ظروف تحميل مختلفة. وقد شملت الدراسة مقارنة بين ثالثة مواد مستخدمة في التصنيع باإلضافة وهي PLA PolyMax و CF-PLA وCF-PETG ، حيث أظهرت النتائج أن مادة CF-PLA تحقق أفضل توازن بين الصالبة والمقاومة الميكانيكية ودقة التموضع . وتبين النتائج المتحصل عليها أن النظام المقترح يساهم بفعالية في تقليل ظاهرة الخلوص الميكانيكي مع الحفاظ على بنية ميكانيكية بسيطة ومتينة وسهلة التصنيع. كما تؤكد هذه الدراسة أهمية الجمع بين التصميم بمساعدة الحاسوب، والمحاكاة العددية، والتصنيع باإلضافة، ومبادئ التصميم البيئي في تطوير أنظمة رفع دقيقة واقتصادية وموثوقة. .الكلمات المفتاحية: اللولب شبه المنحرف؛ الصامولة المانعة للخلوص؛ الخلوص الميكانيكي (Backlash(؛ سوليدووركس(SolidWorks (؛ أباكوس(Abaqus (؛ التصنيع باإلضافة؛ الطباعة ثالثية األبعاد؛ التصميم البيئي؛ تحليل العناصر المحددة؛ دقة التموضع