A la dernière édition de la Foire de Hanovre en avril, la micromécanique était à l’honneur avec de nombreuses présentations d’organismes de recherche mais, aussi, avec des réalisations bien concrètes. Les nano-technologies seront le défi du XXIe siècle affirment certains. En mécanique, en tout cas, la mise en fabrication de composants dont la taille avoisine le micron avec des tolérances en rapport est déjà une réalité et les applications ne cessent de se développer.

Longtemps réservées à l’horlogerie, les applications des avancées réalisées dans la micrormécanique sont aujourd’hui surtout présentes dans les domaines du biomédical et de l’électronique mais l’automobile et l’informatique sont, aussi, très friandes des possibilités offertes par les micromécanismes. Hanovre se devait donc de consacrer près de deux halls à l’état de la profession en attendant les nombreuses autres expositions spécialisées de cette année comme les 10 e Assises du Prototypage Rapide les 14 et 15 septembre prochains à la Défense, ou Nanofair à St Gall, en Suisse, du 14 au 16 septembre, ceci sans oublier MICRONORA début octobre.

Effort mondial en recherche et développement
Rappelons qu’un cheveu humain a un diamètre de l’ordre de 10 000 nanomètres, un millimètre valant un million de nanomètres. Un nanomètre (nm) est égal à 10-9 m ou un millième de µm. La frontière supérieure des nanotechnologies est, quant à elle, située à une centaine de nm environ. Même si l’effort consenti est insuffisant, l’Europe consacre 1,6 milliard d’euros à leur développement et une collaboration à l’échelon européen se met en place. Citons notamment celle entre le laboratoire d’électronique et de technologie de l’information LCEA-LETI et le Fraunhofer Verbund Mikroelektronik VµE. Des accords croisés existent déjà entre le CNRS et ses homologues japonais ou, encore, entre différents organismes français et américains. En France des organismes nouveaux ont été créés ou initiés par l’Etat tels le RMNT - réseau de recherche en micro et nano-technologies -, ou le MINATEC de Grenoble. A noter que la militarisation des applications des nano-technologies est déjà un fait aux Etats-Unis avec l’ISN et les européens s’y intéressent également, néanmoins fort discrètement.

Pour traquer des éléments aussi ténus, il faut des outils adaptés et les faisceaux lasers de longueurs d’ondes toujours plus courtes sont aujourd’hui indispensables.

Des lasers femtosecondes à harmoniques décalées capables d’impulsions d’une centaine d’attosecondes - 10 -18s - sont déjà l’objet d’une émulation entre les instituts français et allemands. De telles machines donnent accès à la visualisation directe des nuages d’électrons comme à la manipulation des noyaux atomiques et les applications futures donnent le vertige. Les chiffres d’affaires des entreprises du secteur sont prévus en croissance exponentielle pour les cinq ans à venir et les bouleversements dans le monde industriel seront considérables, ne serait-ce que dans le secteur des matériaux et du contrôle / mesure. Une réponse aux délocalisations et à la désindustrialisation des pays dits développés réside, à coup sûr, dans des produits à haute valeur ajoutée et délicats à produire.

Applications actuelles dans le domaine de la microtechnologie
Cinq grandes catégories de produits utilisent dès à présent des éléments relevant de micro ou de nano-technologies : les capteurs et détecteurs de toutes sortes, les applications optoélectroniques dans la mesure de déplacements, l’automobile avec des micro-buses d’injection par exemple, l’électronique avec les micro soudures ou les mini disques durs destinés aux téléphones portables, le biomédical et la micromécanique (micro-engrenages, micromoteurs, résonateurs céramiques, etc).

Fig. 1 - Ce tour d’établi est monté sur un socle en granit, tout comme le massif de la broche. Prévu pour de petits travaux, son extrême précision en fait une machine fort intéressante.

Deux chemins mènent au nanomonde : la fabrication moléculaire - par le bas - qui concerne des domaines divers dont les matériaux et l’électronique, et l’ultra-miniaturisation - par le haut - qui produit des pièces et des systèmes de plus en plus petits. Ce sont, bien sûr, ces applications qui concernent au premier chef les lecteurs de TRAMETAL.

Aujourd’hui des applications industrielles en fabrication flirtent couramment avec le dixième de micron, ce qui reste encore du domaine des microtechniques d’usinage. De véritables lignes de fabrication avec des postes de découpe, de gravage, de perçage et d’assemblage sont déjà opérationnelles, et ce aussi bien en usinage qu’en formage / découpage. De nombreux stands attestaient en grandeur réelle des applications opérationnelles dans ce domaine. En découpe, un spécialiste français comme LASER CHEVAL est capable de travailler sur des tôles de 0,05 mm d’épaisseur avec une précision de l’ordre de la dizaine de microns. La plate-forme de travail et d’assemblage de type hexapode du danois MICROBOTIC est représentative des efforts des roboticiens pour manipuler des objets de plus en plus petits avec précision et rapidité. BOSCH REXROTH présentait toute une gamme de mini préhenseurs, de micro-guidages linéaires et de vis à billes miniatures sur un stand immense. Même l’électro-érosion et la rectification rivalisent de prouesses pour réaliser des composants toujours plus fins. Le malaisien MIKRO-TOOLS présentait aussi bien une machine d’électro-érosion travaillant dans la dizaine de microns qu’un tour de table d’ultra-précision UPL-2020 capable d’un faux rond de 0,03 µm (fig. 1). Des sociétés spécialisées en micro-accessoires pour machines-outils spéciales tels l’allemand POLYTEC PI méritent le détour tout comme les machines du fabricant germanique KERN déjà réputées dans la profession.

Fig. 2 - L’application peut prêter à sourire, mais ce stylo plume électronique ne sèche pas, écrit dans toutes les positions, ne bave pas en avion et procure une qualité d’écriture incomparable. Développé par le laboratoire de micro-électromécanique de l’université de Fribourg (MEM), cet appareil n’a rien d’un gadget à la James Bond.

Cette course à la miniaturisation profite déjà au grand public dans la vie de tous les jours avec des produits bourrés de mini-technologies comme les téléphones portables photophones ou les nouveaux appareils hybrides vidéo-photo (fig. 2). Dans l’industrie, l’appel d’air est tout aussi puissant et s’adresse à tous les secteurs industriels, ce qui dope la recherche et l’innovation.

Au train où vont ces innovations, nul doute que la frontière des 100 nm ne soit plus un mythe dans les ateliers de pointe d’ici à deux ans au plus. Les nanomicroscopes et des outils lasers de laboratoire permettent de déplacer de gros atomes et de créer des gravures en creux ou en relief à l’échelle de la dizaine d’Angström. Gardons simplement à l’esprit que, jusque dans les années 80, le centième de mm restait un être ombrageux et difficile à dompter. Il avait, en effet, fallu un siècle pour passer du dixième au centième de millimètre. L’objectif est cent fois plus ténu désormais en fabrication mécanique...

Notons d’ailleurs que, dans le nanomonde, les propriétés des matériaux deviennent étranges et les adhésifs actuellement à l’étude seront très surprenants. Les métaux ou composites obtenus couche après couche, sans défaut cristallin ou porosité, ont des caractéristiques, en effet, parfois vingt fois meilleures que les matériaux actuels.

Fig. 3 - Ce rail de guidage est en cours de traitement sur une portée avec un laser focalisé à la largeur souhaitée. La pièce étant assez rigide, il n’est pas utile de travailler en simultané sur les deux portées.

Les revêtements sont aussi en train de connaître une révolution qualitative. Les possibilités en application monocouche cinquante fois plus fine qu’actuellement avec des propriétés de flexibilité et d’adhésion très différentes que ce que l’on connaît, comme d’ailleurs en multicouche, vont révolutionner bien des durées de vie d’outillages. Le principe de l’Atomic Layer Deposition (ALD) est, notamment, bien maîtrisé par la société américaine PLANAR. Les traitements thermiques locaux sont aussi concernés et les micro-soudures lasers ont des caractéristiques métallurgiques tout à fait exceptionnelles (fig 3).

Le laser est décidément universel
La faculté des sources lasers à impulsions très courtes de chauffer très vite une zone de façon localisée est donc aussi mise à profit pour des traitements thermiques en micromécanique. Les points focaux peuvent être réglés plus ou moins en largeur et en profondeur. Ne durcir que la pointe des dents d’un pignon quasi invisible à l’œil est déjà chose courante, la qualité de ces micro-traitements étant parfaitement maîtrisée et facile à mettre en œuvre. En macro-usinage, une tête de durcissement laser est désormais presque classique sur un centre d’usinage multi-fonctions ou une ligne de production. La société allemande ALOtec est un des spécialistes du secteur de la machine dédiée de traitement thermique laser et sa collaboration avec le Fraunhofer IWS est des plus fructueuses. Les sources utilisées sont, le plus souvent, d’origine ROFIN et des logiciels de surveillance de température et de profondeur sont développés en parallèle. Non seulement le traitement est d’une absolue précision avec, tout au plus, un changement de couleur du matériau mais il n’y a ni oxydation, ni fumées dans l’atelier. Si la pièce est très fine et longue, risquant de se déformer, il suffit d’appliquer en même temps autant de paires de faisceaux placés en opposition pour apporter la solution. Un seul laser avec des lentilles suffit pour traiter une règle support avec trois portées à traiter en simultané (fig 4 et 5). Une autre entreprise, française celle là, NOVALASE commercialise des modules opto-mécaniques se situant au carrefour de plusieurs technologies. Bénéficiant d’outils performants pour conduire ses études avec, notamment, l’accès à un laser femtoseconde à l’université de Bordeaux, la société (www.novalase.com) possède une expertise dans le domaine du micro-usinage laser qui s’exprime aussi dans des postes de travail tels le MUST L (fig. 6).

Fig. 4 - Cette aiguille navette pour machine textile doit être à la fois souple et très résistante à l’usure. Le traitementrapide de la pointe au laser évite toute oxydation ou contrainte thermique préjudiciable dans les zones fines.

Fig. 5 - Le principe du dépôt d’une mono-couche atomique de sulfure de zinc blende par Planar : dépôt de chlorure de zinc, purge des atomes excédentaires, application d’H 2S qui réagit avec le chlorure de zinc pour donner de l’acide chlorhydrique et du sulfure de zinc, nettoyage et il ne reste plus qu’un mince film de sulfure de zinc sur la surface de la pièce.

Le laser ou, plutôt, les lasers car il en existe une grande variété sont devenus le couteau suisse de la micro et de la nano-mécanique. Que ce soit en perçage, en découpe, en traitement de surface, en revêtement ionique, en soudage/brasage et, bien sûr, en marquage et en gravure, les limites de la matière sont à la portée de ces faisceaux de lumière et donc d’énergie cohérente. Des monstres industriels atteignant la dizaine de kW aux sources de quelques milliwatts la variété est grande et cette application de physique fondamentale est en passe de devenir universelle dans tous les secteurs de la vie quotidienne comme de la production industrielle. Le gros reproche que les utilisateurs peuvent faire aux unités puissantes est leur rendement déplorable, leur gourmandise en électricité donc, et le recours fréquent à des gaz délicats à stocker. Les avancées en développement et à venir en micro et nano-mécanique seront filles des efforts impressionnants de recherche et de développement consentis actuellement, ainsi que d’une volonté de mettre en prise directe le monde industriel et celui de la recherche appliquée. L’imbrication actuelle de ces deux mondes n’a jamais été aussi loin et la vitesse à laquelle des “manips” de laboratoire se retrouvent exposées sur des stands en est révélatrice. Des projets très importants sont en phase finale et TRAMETAL aura l’occasion de revenir très prochainement sur ces chapitres prometteurs.

Fig. 6 - Novalase, qui est une société française en plein développement, a présenté cette unité de micro-travail équipée d’une source laser de 175 W à impulsions courtes. Gravures, perçages, traitements de surface, soudures, décapage sélectif, etc., sont accessibles avec ce type de produit.

L’impression en 3D aussi
En technologie de micro-gouttes de type jet d’encre, la barrière des 20 microns est atteinte par le fabricant américain NanoInk pour des petites structures. La nanolithographie descend, ainsi, à une dizaine de nanomètres en électronique, tandis que des applications à base de dépôts de polymères spéciaux sur des machines de fabrication 3D permettent de réaliser des géométries de seulement 500 nanomètres. Il faut parler dès à présent de micro-prototypage rapide et certaines pièces exposées, qui nécessitaient une bonne loupe binoculaire pour les apprécier, ont laissé bien des visiteurs plutôt rêveurs ...

Remise en question permanente
Même si bien des applications relevant des micro et de la nano-technologie ne sont pas encore à la portée des entreprises industrielles, sauf dans certains secteurs de pointe, une révolution est bien en marche. Le saut qualitatif vers les tolérances en dixième de micron oblige, dès maintenant, bien des ateliers à produire autrement et lance en amont une réflexion sur le tolérancement assisté dans le but d’éviter des surcoûts.

Confrontés à une montée en exigence qualité de la part de leurs donneurs d’ordres, les sous-traitants doivent réorganiser toute la chaîne de fabrication. Des tolérances de ± 0,002 mm sur des portées d’arbre à cames n’impliquent pas qu’un facteur dix par rapport aux 0,02 mm anciennement exigés mais souvent bien plus avec une croissance exponentielle des coûts et une remise en question complète de l’organisation de la production. Plus que jamais, maintenir une veille technologique par tous les moyens possibles est une condition de survie dont doivent prendre conscience les responsables d’unités de production.

Fig. 7 - En version à support vitro-céramique en Zerodur, la résolution de ces règles (120 mm au maximum) descend au nanomètre.




Que l’on oublie pas les capteurs !
Le prochain compte rendu du salon spécialisé CONTROL 2004 qui s’est tenu en mai à Sinsheim permettra de faire le point sur les dernières avancées en cette matière. Il ne peut bien sûr y avoir d’avancée dans le domaine de la micro-précision sans posséder des capteurs et autres systèmes de mesure appropriés. L’interférométrie laser a, évidemment, son mot à dire mais l’interférométrie optique se défend encore très bien en micro-mécanique, pour preuve les codeurs linéaires LIP de HEIDENHAIN capables de gérer des pas de mesure de l’ordre du nanomètre à vitesse réduite sur des longueurs de 10 à 420 mm avec la version en Zéro Dur (fig. 7). Par ailleurs, chez le même fabricant la sortie de nouveaux systèmes de mesure angulaires travaillant à la seconde d’arc et en version étanche avec axe creux, référencés RON et RCN, vient tout juste d’apparaître (www.heidenhain.de). Il ne s’agit que d’un exemple mais les rares spécialistes de ces technologies avancées préparent tous des produits adaptés (fig. 8). A ce sujet, TRAMETAL se livrera à un examen attentif des solutions proposées et des tendances remarquées au salon des microtechniques Micronora à Besançon qui se tiendra à la fin de ce mois, du 28 septembre au 1er octobre.

Fig. 8 - Ces tout nouveaux capteurs Heidenhain rotatifs incrémentaux à axes creux offrent 134 millions de positions par tour en valeur absolue et à vitesse élevée. La précision est de l’ordre de la seconde d’arc.

Pourquoi aller à Hanovre ?
L’intérêt d’une exposition généraliste comme la Foire de Hanovre est de donner un état des lieux de l’industrie au sens large, de montrer les tendances dans les méthodes de production, tout comme la facilité avec laquelle les lignes d’assemblage s’équipent de systèmes de vision et de reconnaissance numérique, de têtes lasers servant, qui à la prise de cotes, qui au marquage, qui au traitement thermique local, sans parler de la découpe et du perçage. La vision numérique intelligente et l’emploi de lasers de toutes sortes représentent deux tendances lourdes mais l’arrivée massive de MICROSOFT, comme le recours à des suites logicielles complètes chez tous les grands éditeurs de CFAO peut en constituer une troisième. Il y avait décidément beaucoup d’informations à glaner à la récente édition de la Foire de Hanovre (fig. 9), regoupant pas moins de sept salons dédiés aux hautes technologies.

Fig. 9 - Sur le très intéressant et immense stand IGUS, on remarquait ce nouveau chemin de câbles articulé 3D en polymère avec un guidage support interne de chaque câble, anneau par anneau. L’ensemble est bien entendu modulaire et démontable, spécialement destiné aux robots universels et autre hexapodes.

Aperçu du stand ou, plutôt, du hall FESTO qui est incontournable dans le panel des fournisseurs de l’industrie. De nombreux produits adaptés à la micro-mécanique et au micro-assemblage y étaient présentés.

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Les vernis automobiles dopés par les nano-technologies

Les vernis automobiles dopés par les nano-technologies

 

La très grande majorité des peintures automobiles actuelles sont vernies et les vernis modernes à solvant acrylique sont nettement moins résistants aux micro-rayures type lavage en rouleaux qu’autrefois. Aussi, en partenariat avec ses fournisseurs et en utilisant les dernières avancées technologiques dans ce domaine, le service de recherches et de développement de Mercedes-Benz a-t-il développé un vernis dont la caractéristique est d’être trois fois plus résistant

Ce nouveau type de vernis fait appel à des agglomérats de molécules de céramique (ou nano-particules). Lors de la phase de séchage, un maillage de particules se crée qui présente une excellente résistance mécanique. Cerise sur le gâteau, l’accroche de la lumière est meilleure et le brillant supérieur de quarante pour cent.

Les installations existantes sont strictement inchangées et l’ensemble de la gamme recevra ce vernis d’ici la fin de cette année. On doit souligner que les propriétés adhésives des nano-particules métalliques passionnent les ingénieurs maison et, notamment, un vernis aux propriétés auto-nettoyantes est actuellement à l’étude. Par ailleurs, des peintures changeant de teinte suivant la température ou en fonction de la pression, voire sur commande, seraient déjà également à un stade de développement avancé chez plusieurs fabricants.

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