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Une roue dentée miniature en 15 minutes

Gravure sélective au laser : fabrication rapide et économique de microcomposants
Une roue dentée miniature en 15 minutes

Un nouveau procédé qui repose sur la gravure sélective au laser (In volume selective laser etching ou ISLE) permet de créer des composants assemblés à partir d’un bloc de matériau transparent, comme le verre, avec une précision de l’ordre du micron.

Des microtubes en verre de quartz d’un diamètre de 1 mm et d’une épaisseur de paroi de 9 mm. Des zones perforées avec des trous de 50 µm. Des composants microfluidiques pour le diagnostic médical avec des canaux dont le diamètre est inférieur à 10 µm. Voici quelques exemples qui montrent que les dimensions des composants utilisés en mécanique de précision, en génie biomédical et en techniques de mesure évoluent vers l’infiniment petit, alors que les structures doivent en même temps gagner en complexité, comme dans l’industrie horlogère par exemple, où les pierres d’horlogerie doivent être fabriquées puis montées avec précision.

Ces microcomposants sont aujourd’hui fabriqués et montés à la main par des artisans expérimentés, qui utilisent des techniques de meulage et de polissage fastidieuses. En outre, les procédés d’usinage entraînent généralement une perte de matériau de 80 %, ce qui représente un facteur-coût non négligeable selon le matériau.
En raison des petites dimensions des composants, les matériaux transparents ou « incolores » ne sont pas adaptés à un usinage manuel, car les techniciens ne les distinguent pas suffisamment bien. Les fabricants préfèrent alors en général le rubis, car il s’agit d’un matériau qui est non seulement très dur, mais aussi parce qu’il se voit bien grâce à sa couleur rouge.
Un procédé de fabrication au laser reposant sur la technique de la gravure sélective au laser (In volume selective laser etching ou ISLE) a été mis au point par l’Institut Fraunhofer pour la technologie laser (ILT) en coopération avec la chaire de technologie laser de l’Université technique de Rhénanie-Westphalie d’Aix-la-Chapelle (RWTH). Ce procédé permet de fabriquer plus rapidement des microcomposants en matériau transparent et devrait entraîner beaucoup moins de pertes de matériau et consommer moins d’énergie que le processus d’usinage mis en œuvre jusqu’à présent. Les spécialistes ont pour cela appliqué la gravure sélective au laser à la fabrication de composants assemblés et montés. Ainsi, il n’est plus nécessaire d’ajuster et de monter individuellement les différents composants à l’aide de systèmes micromécaniques.
Le nouveau processus comporte plusieurs étapes. Un rayon laser pulsé à ondes ultracourtes est dirigé sur une pièce transparente avec une résolution 3D en volume à l’endroit exact où le matériau doit être attaqué. Ce rayonnement modifie les propriétés chimiques et physiques du matériau qui peut alors être gravé sélectivement. Ensuite, lors du processus de gravure en phase chimique humide, le matériau exposé au laser est détruit sans que le reste ne soit pratiquement touché. Il est alors possible de réaliser des microcanaux, des perforations à forme géométrique, des éléments struc turés, ainsi que des composants et des systèmes mécaniques assemblés complexes.
Le procédé de gravure ISLE peut être utilisé non seulement avec du rubis, mais aussi avec du saphir ou du verre. Il est reproductible et peut garantir des géométries identiques pour les composants d’une même série. Il offre également une grande liberté de forme et de conception. De par le volume très restreint de focalisation, il permet d’atteindre des précisions de formes inférieures à un micron, ainsi que des saignées et des perforations avec des rapports d’aspect extrêmement élevés.
L’objectif principal de l’équipe de chercheurs d’Aix-la-Chapelle consiste désormais à mettre le procédé ISLE à la disposition des fabricants de microcomposants. « Nous travaillons à améliorer en permanence la modularité de notre procédé pour permettre à terme son transfert depuis l’organisme de recherche vers la fabrication industrielle », explique Dagmar Schaefer, directrice de groupe de recherche à l’Institut Fraunhofer ILT. « Le procédé ISLE sera adapté aux exigences de chaque client et en fonction de l’application. La plus grande difficulté sera pour nous de respecter le cahier des charges du composant tout en le structurant suffisamment rapidement. »
Le laser atteint actuellement une vitesse de plusieurs centaines de millimètres par seconde. Pour fabriquer une roue dentée de 3 mm, déjà montée sur un arbre et pré-intégrée dans un boîtier, il suffit d’environ 15 minutes. L’objectif est néanmoins d’augmenter la vitesse du laser à plusieurs mètres par seconde, ce qui diviserait par dix la durée d’exposition nécessaire pour fabriquer la roue prémontée.
La puissance du laser doit être augmentée à moyen terme, ainsi que la fréquence de répétition. Des systèmes de déviation du rayon devraient également permettre d’exploiter le potentiel du procédé pour une production de masse individualisée. La fabrication de microcomposants en petites et grandes séries devrait, comme la production de masse de composants individualisés, coûter moins cher et gagner en flexibilité.
Axel Bauer Institut Fraunhofer ILT, Aix-la-Chapelle
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