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Quelles sont les contraintes de l'intégration d'un éclairage LED dans un matériaux fin et souple: le tissu ? Walter Bonetti Charles Simon Clément Oriol.

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1 Quelles sont les contraintes de l'intégration d'un éclairage LED dans un matériaux fin et souple: le tissu ? Walter Bonetti Charles Simon Clément Oriol Walter Bonetti Charles Simon Clément Oriol

2 1. A lorigine… du TPE 2. Léclairage au fil de lhistoire 3. Un peu de théorie et dunités 4. Description dune LED 5. Objectifs & plan de développement 6. Cahier des charges 7. Développement 7.1 les différentes options dintégration 7.2 recherche des matériaux et réalisation de lensemble LED + fils 7.3 lintégration dans le fil 7.4 lintégration dans le tissu 7.5 lintégration sur le tissu 7.6 tenue aux contraintes environnementales vers les nouvelles technologies 7.7 Une approche industrielle et le problème de lalimentation électrique 8. Nos réalisations ! 9. Conclusion 10. Remerciements 11. Annexes Sommaire

3 Problématique Quelles sont les contraintes de l'intégration d'un éclairage LED dans un matériau fin et souple: le tissu ? Peut t-on intégrer un éclairage LED de façon industrielle dans le tissu? Thème, sujet et disciplines concernées Savants et sciences, hier et aujourdhui : Lévolution de léclairage et de ses performances à travers le temps et son intégration dans les objets du quotidien quelques soient leur facteur de forme. Physique et Histoire. A lorigine du TPE

4 Léclairage est de plus en plus utilisé depuis quil sest miniaturisé avec la technologie LED. Avec une consommation très faible. Tous ces supports ont une certaine épaisseur Intérieurs de voiture Les matières les plus fines utilisent la fibre optique avec des limitations de fabrication et dintégration. Peux t-on imaginer miniaturiser encore léclairage LED pour le rendre vraiment compatible avec le tissu ? En bref, quelles sont les contraintes de lintégration dun éclairage LED dans un matériau fin et souple comme le tissu? Rubans de LED Coussin lumineux

5 (~ néolithique) Domestication du feu (moyen-âge) (17 ème - 18 ème _ 19 ème ) (~ antiquité) Lampes à huile végétale ou animale Cierges et bougies Lampes mécaniques mèche coton – pompe - piston (19 ème ) Éclairage au gaz Essence, pétrole Lampe à incandescence Filament carbone puis tungstène Gaz noble Xénon – Krypton (fin 19 ème puis 20 ème ) Léclairage au fil de lhistoire Lampes fluo-compactesDiodes électroluminescentes lumière blanche (LED) Lampes halogènes 1907: semi-conducteur Émettant de la lumière 1927: brevet LED 1962: LED rouge 1990: LED bleue donc... blanche (2000) (????)

6 Un peu de théorie et dunité Lobjectif du TPE est létude des contraintes de lintégration dun éclairage LED dans le tissu. Il est donc nécessaire dacquérir quelques notions relatives à léclairage pour nous guider dans le choix des composants et dans les orientations techniques. Les questions relatives au tissu seront abordées de façon plus empiriques. Les notions suivantes seront donc abordées: La sensibilité de lœil humain La température dune source lumineuse La description et le fonctionnement dune LED Lintensité lumineuse dune LED La consommation dune LED

7 Un peu de théorie et dunité La sensibilité de lœil humain La courbe bleu-vert est relative à la vision scotopique (vision de nuit). La courbe orangée est relative à la vision photopique (vision de jour).

8 Un peu de théorie et dunité Température d une source lumineuse La température de couleur s'exprime en Kelvin (0°K = -273,15°C). Elle caractérise la répartition énergétique du rayonnement au sein des différentes longueurs d'onde constituant le spectre d'émission de la source lumineuse. La température de couleur fait appel à la notion de corps noir. A 5500 K, un corps noir émet à peu près la même quantité d'énergie dans toutes les longueurs d'onde. C'est à cette température que les couleurs nous semblent naturelles. En dessous de 5500 K, la lumière devient de plus en plus jaunâtre on parle dune lumière chaude En dessus de 5500 K, la lumière devient de plus en plus bleuâtre on parle dune lumière froide Voici l'allure de sources lumineuses de différentes température de couleur : Pour une lampe à filament (projecteur thermique), la température de couleur correspond à peu près à la température du filament. Par contre, pour une lampe à décharge, la température de couleur correspond à la température qu'aurait le filament d'un projecteur thermique donnant une lumière comparable. Donc attention, la température de couleur ne correspond pas à la température réelle de la source. En outre, pour les sources telles que les LEDs ou les lampes à décharge, on parle de température de couleur corrélé dont l'abréviation est CCT en Anglais.

9 Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens direct lorsquon veut émettre de la lumière. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la LED est la zone P car cest la plus radiative 3.diodejonction P-N 3 Un peu de théorie… 1.Description dune LED

10 Un peu de théorie… La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique à une longueur d'onde dans le vide de 555 nm (couleur vert-jaune) et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1683 watt par stéradianrayonnementmonochromatiquewattstéradian La candela (symbole cd, du mot latin qui signifie « chandelle ») est une des sept unités de base du système international. Elle sert à mesurer l'éclat perçu par l'œil humain d'une source lumineuse.latinunités de base du système internationalœil Lintensité lumineuse des LED est exprimée en candela. Comment choisir la bonne puissance de LED? Le stéradian défini une surface à partir dun rayon de sphère (voir annexe X) A retenir: Le regard d'un œil humain embrasse environ 0,5 srœil On recherche donc des LEDs entre 100 et 400mcd (à vérifier) Lintensité lumineuse dune LED

11 Consommation dune LED 2 types dutilisation sont possibles, qui peuvent influer sur lalimentation de léclairage. a)Une source dénergie autonome (pile) pour un vêtement par exemple b)Une source d énergie pratiquement non limitée (bâtiment, circuit de secours) Calcul de lautonomie dune LED avec un pile bouton au lithium pour le cas a) Autonomie dun ensemble de LED alimentée par une pile bouton de type CR2032H lithium (diam 20mm épr 3,2mm) 230mAh 3V Consommation LED 180mcd 20mA Autonomie 11,5h Lutilisation des LEDs en mode pulsé peut augmenter lautonomie de façon très importante, dépendant de la fréquence de scintillement. Résistance du fil de cuivre non importante (à développer)

12 Plan de développement 1.Compréhension de la fabrication du tissus diffèrent type de tissus et fabrication Visite du Lycée des prairies 2.Réalisation du cahier des charges 3.Trouver les matériaux adéquats ( fil, LED ) 4.Trouver les outils et le matériel 5.Identifier les différentes voies techniques 6.Trouver dautres partenaires 7.Premières manipulations et intégration des LED dans un tissus 8.Modification des choix techniques 9.Deuxième manipulations 10. Réalisation des prototypes améliorés Plan OctNovDecJanFev Théorie Histoire 1 ères réalisations optimisations Résultats finaux Rédaction Préparation compréhension

13 Cahier des charges Lintégration dun éclairage LED dans un tissu doit répondre à des contraintes. Principalement nous avons défini les points suivants: Les contraintes dimensionnelles pour que léclairage soit le moins perceptible dans le tissu, à la vue et au toucher. La LED proprement dite Les fils dalimentation Les contraintes environnementales Ce que subit le fil, le tissu, le vêtement pendant sa fabrication A quoi est confronté le produit fini pendant son utilisation Les contraintes industrielles Nous avons choisi dévaluer notre procédé dintégration comme si nous devions en faire un procédé réellement industriel La manufacturabilité Le coût de revient Définition du cahier des charges

14 Cahier des charges Les contraintes dimensionnelles (1) Elles sont données par lépaisseur du tissu. Soit une mesure de différents types de vêtements et de coupons. Méthode de mesure: pied à coulisse avec pression modérée pour ne pas écraser les fibres. -> venir au contact avec une légère pression -> Précision estimée 0,02 à 0,04mm -> lensemble LED devra avoir une épaisseur de 0,4mm environ si on lintègre dans lépaisseur. 0,2mm si la LED est implantée en surface (estimation) pour que sa perception par le toucher soit limitée et acceptable.

15 Cahier des charges Les contraintes dimensionnelles (2) Le fil conducteur: Dans le cas dune alimentation dans lépaisseur du tissu Le fil conducteur permettant dalimenter la LED doit pourvoir être compatible avec le tissage. Soit être de lordre de la demi épaisseur du fil de tissage qui sentrecroisent. -> 0,05 à 0,3mm i) Dans le cas dune alimentation en surface, son diamètre doit être petit pour ne pas être perçu sil est placé entre le vêtement et la peau. ii) La dimension du diamètre est moins contraignante sil ne sagit pas dun vêtement. -> 0,1mm (épaisseur dun cheveu) dans le cas i) -> 0,5mm estimé dans le cas ii) Le fil conducteur doit être souple ce qui doit limiter son diamètre et celui de sa gaine isolante. On retiendra un diamètre de lordre de 0,2mm

16 Cahier des charges (suite) Contraintes environnementales. Dans son utilisation le tissu va subir un ensemble de contraintes importantes: 1.mécaniques: pression (repassage), pliage, froissage, élongation, torsion, pincement, perforation (badges), abrasion-frottement 2.Thermiques: lavage (30°C à 60°C, voir supérieures), conditions extérieures (- 40°C / +80°C) 3.Humidité: lavage (minimum 40 lavages garantis pour certain T-shirt), pluie, sueur (sport) La solution éclairage montée sur le tissu devra tenir 40 lavages à la machine à laver (20 à 30°C et 20 à 60°C), et 10 passage au lave-vaisselle. Le repassage sera évité sur la zone équipée (recommandation équivalente sur certains T-shirt avec sérigraphie ou transferts) Lélongation du tissu (strech) devra être respectée

17 Cahier des charges (suite) Contraintes industrielles et de fabrication (1) La fabrication du tissu est complexe. Les fils subissent des tractions. Ils passent dans des guides et sont tissés sur des métiers ou ils subissent des accélérations importantes. (navettes) Les pièces de tissu passent dans des rouleaux avec de forte pression et des contraintes délongation Les traitements chimiques et mécaniques permettent de rendre le tissu infroissable, de le teindre, de le protéger, de le décolorer partiellement, de le faire vieillir (traitement stone des jeans). Lintégration de léclairage dans le tissu se fera à partir du tissage, sous certaines conditions, sans traitement post- tissage, pour éviter des contraintes trop fortes. Machine de traitement stonewash pour les jeans décolorés et pré-usés Machine de tissage, Lycée des prairies

18 Cahier des charges (suite) Contraintes industrielles et de fabrication (2) Le textile est une matière au coût peu élevé. Li

19 Cahier des charges (suite) Résumé du cahier des charges

20 Développement Comprendre les contraintes de lintégration dun éclairage LED dans le tissu implique détudier les différents modes dintégration possibles. Modes dintégration possibles: 1.Dans le fil 2.Dans le tissu, lors de sa fabrication a)fils conducteurs et LED lors du tissage b)fils conducteurs uniquement lors du tissage. LED rapporté ensuite 3.A la surface du tissu a)à la fin de la fabrication de celui-ci b)Sur lobjet terminé (vêtement ou autre) Tous ces modes vont être étudiés dans le TPE Les différentes options dintégration

21 Développement La LED Le cahier des charges demande des dimensions de 0,2 à 0,4mm. Pour obtenir ces dimensions il faut éliminer les modules LED, les LED encapsulées, les LED ruban, pour arriver aux composants à montage en surface (CMS). Ils ont utilisés pour les montages sur cartes électroniques. Module LEDs longueur 12mm épaisseur mm LED de puissance diamètre 1,2mm hauteur 8mm Ruban LED puissance longueur 168 mm Largeur 10mm épaisseur 2mm LED CMS longueur mm épaisseur mm LED CMS ultra plate longueur mm épaisseur mm Recherche des matériaux: LED / fil conducteur / alimentation électrique

22 Développement Références de LEDs CMS trouvées sur le site RADIOSPARE Dimensions longueur mm épaisseur mm Dimensions longueur mm épaisseur mm

23 Développement Le fil conducteur Le diamètre doit être denviron 0,2mm. Une 1 ère recherche montre que tous les fils avec un isolant plastique ont des diamètres trop importants. Le diamètre minimum trouvé est de 1,0mm Incompatible avec lapplication Une nouvelle recherche est faite pour trouver un fournisseur de fil cuivre utilisé pour faire des bobinages de transformateur ou de moteur. En effet ces fils sont isolés, très fins, et pourraient convenir à lapplication. Utilisation des mots clé fil cuivre, 100um, 200um, isolation. Le site de la société allemande Elektrisola présente des fils de cuivre avec caractéristiques compatibles avec notre application.

24 Développement Références retenues P155 et P180 -lisolation peut être enlevée en la chauffant au fer à souder à la température de 280°C – 300°C -Les diamètres de 100um sont possibles avec une bonne résistance mécanique -Le fil est souple Une bobine de la référence P155 à été prêtée pendant la durée du TPE. - isolant Polysol diamètre 110um

25 Développement Lalimentation électrique (pile)

26 Développement Les objectifs sont: manipuler les LEDs Savoir retirer localement la protection du fil (lisolant) réaliser des connexions fil/LED par soudure à létain. réaliser un montage fonctionnel préparer les étapes suivantes dintégration dans le tissu Réalisation de lensemble LED + fil

27 Développement Optimisation de la température et du procédé pour enlever lisolation du fil. Résultat : fil plongé dans une goutte détain à 300°C pendant 10s 1 ère LED connectée à la pile CR2032H lithium Résultat ok Apprentissage de la manipulation de petites LED et du fil très fin + - Symbole et sens de connexion sur la LED Papier collant pour maintenir la LED Soudure du fil sur la plage métallisée de la LED

28 Développement Tous les échantillons sont testés électriquementRéalisation déchantillons pour les essais dintégration Certains échantillons sont équipés dun scotch didentification spécial pour les essais environnementaux

29 Développement Ce mode dintégration permet dêtre au cœur même du tissu Avantages a)Intégration dans lépaisseur du tissu b)Éclairage dissimulé mais proche de la surface Inconvénients a)Tissu spécifique dès le départ: contrainte de la chaîne de fabrication industrielle dans un marché très concurrentiel. b)Éclairage devant subir toutes les contraintes mécaniques, chimiques, et de température de la fabrication du tissu et du vêtement. c)Positionnement précis des LEDs impossible dans lobjet final d)Difficulté de reprendre les contacts électriques e)Nécessité davoir des LEDs et fils de très petites dimensions, dépassant les possibilités connues. Ce mode dintégration nest pas retenu, mais une petite étude a été réalisée pour confirmer les limitations. 1. Intégration dans le fil

30 Développement Brève étude de la fabrication dun fil Un fil est rarement constitué dun seul brin. Le brin central, qui peut apporter des propriétés particulières: elastane pour lélasticité par exemple. Fil simple Fil 3 brins guipéGuipage dun filFil multibrins guipé La LED et les fils conducteurs peuvent être incorporés pendant lopération de guipage: les 3 fils qui déroulent forment un entonnoir dans lequel on peut avaler la LED. Ce procédé est possible avec une puce RFID et ses 2 antennes (objet limité à une longueur de 20cm). Il a été testé avec succès par un chercheur du CEA-LETI Puce RFID et ses 2 antennes fils de 10cm dans un fil Application à léclairage

31 Développement Ce mode dintégration permet dêtre, en partie, au cœur même du tissu, la LED restant en surface. Avantages a)Intégration dans lépaisseur du tissu b)Éclairage dissimulé mais proche de la surface Inconvénients a)Tissu spécifique dès le départ: contrainte de la chaîne de fabrication industrielle dans un marché très concurrentiel. b)Éclairage devant subir toutes les contraintes mécaniques, chimiques, et de température de la fabrication du tissu et du vêtement. c)Positionnement précis des LEDs impossible dans lobjet final et dépend des coupes d)Difficulté relative de reprise des contacts électriques Ce mode dintégration est possible et doit être évalué en incluant la LED aux fils conducteurs puis en la dissociant des fils: 2 cas. 2. Intégration dans le tissu, lors de sa fabrication

32 Développement Pour réaliser nos essais dintégration, nous devions trouver un partenaire proche du Lycée et acceptant plusieurs séances de manipulations. Le Lycée des Prairies, à Voiron, est spécialisé dans le textile. Nous pouvons avoir accès aux machine de tissage Disponibilité et expertise technique de monsieur XXXX Aide des élèves pour faire les essais sur les machines Partenariat

33 Développement Lobjectif est de préparer le module déclairage [ LED + fils conducteurs ] et de lintégrer lors du tissage. Les essais ont été réalisés au Lycée des Prairies avec les LED de plus grande dimension pour faciliter les manipulations. 1 er essai: 1 LED2 ème essai: 2.1 Intégration de [ LED + fils conducteurs ]

34 Développement Contrôle du fonctionnement de la LED, avant de la retourner face vers le,tissu pour éclairer à travers Zoom sur les LED + fils inclus dans le tissage: les fils de cuivre sont pris dans les fils de trame Effet de léclairage sur le devant du tissu, travers les fils. La puissance lumineuse de XX mcd est suffisante. Les fils de cuivre sont légèrement visible sur le devant du tissu.

35 Développement Conclusion

36 Développement Lobjectif est dintégrer les [fils conducteurs ] lors du tissage. Puis de rapporter les LEDs ensuite, à lendroit précis voulu. Les fils ont été implantés dans le tissu, dans les fils de trame, en respectant une distance de 1,2mm entre 2 fils de cuivre parallèles. Pour simplifier les fils de cuivre ont été tissés sur environ 60cm de la largeur du tissu. Coupon de tissu avec les fils de cuivre intégrés sur environ 60cm de largeur Zoom sur les fils de cuivre insérés parmis les fils de trame. 2.2 Intégration de [fils conducteurs ]. LED rajoutée ensuite.

37 Développement Retirer lisolation du fil est difficile car le tissu est synthétique: même en isolant le tissu avec une protection pendant laction du fer, une trace de brûlure apparait. Positionnement de la LED entre les fils de cuivre et le tissu. Opération relativement facile qui dépend de la tension des fils de cuivre. Une fois le fil dénudé, on replace la LED et on la soude au fer. La très bonne mouillabilité à la soudure des contacts de la LED rend cette opération simple et rapide. Il faut juste de la précision. La connexion de LED de 450mcd et 180mcd montre la différence de luminosité. Suivant lapplication, on fera le bon choix. Zone brulée Sur un tissu rigide on peut utiliser du fil non isolé pour éviter les zones brulées objectif suivant.

38 Développement Tissage des fils de cuivres non isolé au Lycée des Prairie Bobine de fil de cuivre avec dépôt argent: couleur grise pouvant sintégrée au tissu. Diamètre 100um Soudure des LED au fer. Confirmation de la bonne mouillabilité à la soudure des contacts de la LED. Résultat ok. On pourrait rechercher un système de report de la LED et de soudure automatique Pièce de tissu terminée avec éclairage Utilisation dun fil de cuivre non isolé et argenté A FAIRE

39 Développement Expérimentation avec Laser Rhône Alpes. Fil Cuivre argenté déposé sur un contact métallisé or Tir laser sur la zone du fil: Le résultat semble possible. Ce procédé permettrait de rendre quasi automatique les opérations. Etude du soudage automatique par laser, du fil sur la LED. A FAIRE Lobjectif est de montrer que si la LED est préparée (étamage de ses contacts) elle peut être placée par une machine sous les fils conducteurs. Un laser peut venir chauffer localement est faire refondre létain: la connexion électrique est faite de façon automatique

40 Développement Conclusion

41 Développement Ce mode dintégration évite les contraintes du tissage, permet un positionnement précis du module déclairage [ LED + fils conducteurs ]. Cest une des dernières opérations de fabrication sur un vêtement ou une pièce de tissu. Avantages a)Pas de modification de la fabrication du tissu / vêtement b)Pas de contrainte lié à la fabrication du fil ou du tissu c)Positionnement très précis de léclairage d)Léclairage est testé avant intégration et le rendement doit être bon Inconvénients a)Intégration moins performante à la surface du tissu b)Il faut gérer limplantation et le maintien des fils Ce mode dintégration semble bien correspondre au besoin. 3. Intégration à la surface du tissu

42 Développement Modes dintégrations possibles Sur le recto du tissu LED sur la surface Fils passant à travers le tissu Possibilité de protection et masquage de la LED par un film transfert (décoration ou logo) Sur le verso du tissu LED sous la surface du tissu Légère incrustation dans lépaisseur

43 Développement Réalisation de limplantation des modules LED + fil 1 er essai de connexionConnexion ok Logo du club de rugby RCCN équipé de LEDs Mode éclairé.

44 Développement Pour respecter lélasticité du tissu les fils conducteurs sont placés en sinusoïde. Ils sont fixés provisoirement par du scotch. Un point de colle spéciale tissu suffira ensuite 2 ème essai sur T-shirt club de rugby Fils en sinusoïde Essais réalisés avec dautres logos de la société Séripress Fils implantés dans la couture latérale

45 Développement Conclusion

46 Le problème de lalimentation électrique On notera que ce problème nest vrai que pour les vêtements. Dans une maison, une voiture, une salle de cinéma, un musée, nous avons accès à des sources dénergie importantes. Dans le cas dun vêtement, le système de la pile est une contrainte: -La dissimuler (dans un bouton) -Éviter tout lavage ou être dans une protection étanche -Lautonomie limitée (exemple dun éclairage multi-LED) -Laspect écologique (la pile est jetée) Nous avons rechercher comment gérer ces contraintes et sen affranchir. La conclusion est que nous devons utiliser une source dénergie rechargeable, disponible et possédée par tous. Elle doit être obligatoirement amovible, sans erreur, pour éviter toute dégradation au lavage. Le téléphone portable ! batterie

47 Le problème de lalimentation électrique Schéma de fonctionnement Exemple dun t-shirt sport Cas dun montage en surface du tissu Fils conducteurs dans les coutures LEDs de signalement de position ou indicateurs de changement de direction Capteur magnétique: bras décollé du tronc = passage de courant Couture ergonomique avec fils conducteurs de 100um Prise mini-jack pour téléphones portables LEDs déclairage téléphone portable / batterie / applications de gestion de léclairage

48 Une approche industrielle Le montage avec le fil conducteur dans le tissu Le montage en surface avec le fil conducteur dans les coutures

49 CONCLUSION DU TPE Le

50 Annexes

51 Personnes et entreprises contactés Lycée des prairies : 4 séances dessais et manipulations Société Elektrisola : contact téléphonique et par Société Radiospare : commande de matériel Société Moon-city / transfert –sérigraphie : contact téléphonique et par Société Séripress / transfert –sérigraphie : contact par lintermédiaire de Mr Jean Brun Société Laser Rhône Alpes / Mr XXX : CEA-LETI / Mr Jean Brun – Service intégration 3D : contact téléphonique et par Centre technique du Papier : pas de réponse

52 Coût du TPE LED Fils conducteurs Piles Tissus T-Shirts

53 Lexique CMS

54 Matériel utilisé

55 Matériel utilisé Composants LED Fil cuivre Elektrisola

56 Matériel utilisé Petit outillage Poste de travail

57 Matériel utilisé Fer à souder Poste à lumière UV

58 Sources dinformation et références bibliographiques (1) Histoire de léclairage LED Sensibilité de lœil humain Le stéradian Température des LEDs Tissage Guipage

59 Sources dinformation et références bibliographiques (2) Elektrisola Lycée Professionnel des Prairies


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