Usinage non conventionnel

Enseignement
HAUTE ECOLE DE LA PROVINCE DE
LIEGE
CATEGORIE TECHNIQUE
Master en Sciences industrielles
Usinage non-conventionnel
NEVEN Jean-Michel
M11GEA-M11GMA
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Table des matières
1.
Electroérosion ...............................................................................................................................3
2.
Découpe LASER ...........................................................................................................................15
3.
Découpe jet d'eau .......................................................................................................................25
4.
Le prototypage rapide.................................................................................................................36
5.
Découpe Plasma..........................................................................................................................47
6.
Usinage chimique. .......................................................................................................................56
7.
Les superfinitions ........................................................................................................................62
2
1. Electroérosion
Introduction
L’usinage par électroérosion, appelée aussi EDM (Electrical Discharge Machining), est une
technique procédant par fusion, vaporisation et éjection de la matière. L’énergie est apportée par des
décharges électriques passant entre deux électrodes, la pièce et l’outil.
L’érosion des matériaux due à des décharges électriques a été observée depuis longtemps. C’est en
effectuant une recherche sur la résistance des matériaux à l’érosion provoquée par des décharges
électriques, que deux savants russes eurent l’idée d’exploiter ce phénomène destructeur à des fins
d’enlèvement de matière et de développer un procédé contrôlé d’usinage des métaux. La première
machine d’étincelage fut présentée en 1943 par les époux Lazarenko.
Depuis, de nombreuses améliorations ont été apportées, faisant du procédé une réelle méthode
d’usinage, utilisée dans de nombreux secteurs de l’industrie
Les procédés d’usinages
L’usinage par électroérosion s’opère dans un liquide diélectrique : on applique entre les électrodes
une tension qui est plus grande que la tension de claquage, fixée par le pouvoir isolant du
diélectrique et la distance des électrodes. On observe trois phases :
Rappel : La rigidité diélectrique d’un milieu isolant représente la valeur maximum du champ
électrique que le milieu peut supporter avant le déclenchement d’un arc électrique. C’est ce qu’on
appelle le claquage d’un diélectrique. C’est cette caractéristique en particulier qui est mise en avant
dans notre cas.
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1.1. L’initiation de la décharge :
Sous l'effet de la différence de potentiel, les particules du diélectrique s'ionisent. Il se forme alors un
canal conducteur dans le diélectrique entre la pièce et l’électrode. Ce canal se forme à l’endroit ou le
champ électrique atteint une intensité maximale.
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1.2. La fusion et la vaporisation de la matière :
Pendant cette phase (micro -à millisecondes), l’intensité du courant augmente et la tension diminue et
donc il y a passage du courant.. Les particules attirées par les électrodes peuvent maintenant se
déplacer dans le canal créé pendant la phase d’ionisation. Elles vont accélérer, enter en collision, et
libérer leur énergie cinétique en provoquant un échauffement important (4000°C à 12000°C). Les
chocs entraînent une fusion locale de la matière. En parallèle, une bulle de gaz due à la vaporisation du
diélectrique se forme et sa pression augmente très rapidement (10 bars).
Lors de l’interruption du courant, la brusque diminution de la température provoque l’implosion de la
bulle qui a pour effet d’éjecter la matière en fusion en laissant un petit cratère dans la pièce. Les
particules de métal fondu se retrouvent dans le fluide diélectrique sous forme de petites sphérules,
elles sont évacuées grâce à la circulation du diélectrique. La partie de métal fondu non arraché se
solidifie sur la pièce.
Le processus est répété pour chaque étincelle, et plusieurs centaines de milliers de ces étincelles
doivent être générées chaque seconde. Nous comprenons facilement qu’une durée d’impulsion et une
intensité élevées créent des cratères de grande dimension, ce qui conduit à un débit d’enlèvement de
matière élevé et à un état de surface grossier. Inversement, une faible durée de décharge et une faible
intensité créent des cratères de petite taille, ce qui est traduit par un faible débit de matière et un
meilleur état de surface.
Le débit de matière enlevée peut atteindre 1 cm3/min en ébauche, il est de quelques mm3/min en
finition. La rugosité peut être bonne (jusqu’à Ra = 0,1 μm), à condition de mettre en jeu des décharges
de faible énergie. Il est difficile et peu économique d’essayer de faire mieux, l’énergie devenant si
faible que l’enlèvement de matière est trop lent. La rugosité n’a pas d’orientation préférentielle.
1.3. l’éjection de la matière :
Le circuit électrique est coupé, la bulle de vapeur se trouve entourée de liquide et de
solides.
5
1.4. Principe et circuit :
Il existe 3 types d’usinage par électroérosion :
•
•
•
L'électroérosion par enfonçage dans laquelle une électrode de forme complémentaire à
la forme à usiner s'enfonce dans la pièce.
L'électroérosion par fil, où un fil conducteur animé d'un mouvement plan et angulaire
découpe une pièce suivant une surface réglée.
Le perçage rapide utilise une électrode tubulaire pour percer les matériaux très durs.
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Légende :
1 Pièce 2 électrode 3 Bain 4 Résistances
5 Condensateur
6 étincelles
a. L'électroérosion par défonçage :
La reproduction de forme par défonçage
consiste à utiliser un outil de forme et à le
déplacer selon une direction. La matière est
enlevée progressivement, et l’électrode outil
reproduit petit à petit sa forme dans la pièce,
en
négatif, avec une légère différence de cotes.
Cette
technique nécessite la fabrication préalable
d’une
ou de plusieurs électrodes. Elle a été la
première utilisée, et représente environ 60 %
des
techniques mises en œuvre dans les
machines actuelles. Son intérêt principal est
de
reporter la difficulté d’usinage direct de la
pièce,
liée au matériau ou à la forme à produire, sur l’usinage de l’électrode, qui est plus aisé : d’une part,
le matériau est choisi facile à usiner à l’outil coupant (cuivre, graphite) ; d’autre part, la forme est
plus aisée à obtenir à l’outil coupant. Cette technique est utilisée pour l’usinage de formes
complexes aussi bien que pour le perçage.
b. L'électroérosion par fil :
La découpe par fil consiste à utiliser un fil tendu et à le déplacer à l'aide
de mouvements gérés par une commande numérique 2 axes ou 4 axes. La
matière est enlevée progressivement, et le fil reproduit petit à petit la
forme programmée, avec une saignée un peu plus grande que son
diamètre (diamètre plus deux fois la distance inter électrode). Cette
technique ne nécessite pas la fabrication préalable d'une ou plusieurs
électrodes, et est donc naturellement flexible. Son intérêt principal est de
permettre de réaliser des découpes fines, grâce au petit diamètre du fil
(0,02 à 0,3 mm ; le plus souvent 0,2 ou 0,25 mm). La technique est
utilisée pour l’usinage de formes complexes, à condition qu’elles soient
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formées de surfaces réglées (génératrice rectiligne). En effet, le fil doit être tendu pour que l’on
évite des débattements trop importants (le fil est, en fait, une corde vibrante soumise à des
sollicitations électriques à haute fréquence). Pour lutter contre l’usure, le fil est constamment
déroulé d’une bobine magasin vers une bobine réceptrice. Il est mis en position par deux guides.
c. Performances :
Après usinage, la matière présente une couche thermiquement affectée : modifications structurales,
présence de contraintes résiduelles et de microfissures. La résistance à l’usure et à la corrosion est
augmentée, la tenue en fatigue est nettement abaissée.
En défonçage, le procédé est caractérisé par :
•
•
•
le débit de matière (quelques mm3/min en finition à quelques centaines de mm3/min en
ébauche) ;
la rugosité (Ra de 0,4 en finition à 15 μm en ébauche) ;
l’usure de l’électrode (de 30 % en finition à moins de 1 % en ébauche).
En découpe par fil, les performances sont :
•
•
un débit surfacique pouvant atteindre 350 mm2/min dans l’acier ;
un état de surface pouvant descendre à Ra 0,2μm.
d. Polarité :
Une explication concernant la polarité est à
présent nécessaire. Lors de l'échange de
particules chargées négativement (bleu) et
positivement (rouge), un flux de courant
apparaît dans le canal de décharge. Les
particules produisent alors de la chaleur qui
fait fondre le métal. Avec une durée
d‘impulsion très courte, il y a plus de
particules
chargées
négativement
en
mouvement que positivement. Plus il y a de particules d’une certaine sorte qui se déplacent sur
l’électrode d’impact, plus la chaleur dégagée est importante. Il faut noter que les particules chargées
positivement produisent plus de chaleur à la même vitesse d‘impact en raison de leur masse plus
élevée. Cependant, afin que l’érosion ou l’usure des électrodes soit moindre, il faut choisir la
polarité de telle sorte que jusqu’à la fin de la décharge autant d’énergie calorifique que possible soit
libérée sur la pièce à usiner. C‘est la raison pour laquelle, lorsque les impulsions sont courtes,
l’électrode de l’outil est négative. Par contre, lorsque les impulsions sont longues, elle doit être
positive, ce qui correspond à une polarité positive. La durée des impulsions, qui provoque le
changement de polarité, dépend d’un certain nombre de facteurs qui sont eux-mêmes liés aux
caractéristiques physiques de la pièce et des électrodes. Lors de l’usinage d‘acier avec du cuivre, la
limite de la durée des impulsions est d’environ 5 microsecondes.
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Les types de matériaux usinables
Le passage de la décharge électrique ne peut se faire que pour les matériaux ayant une conductivité
électrique suffisante, de l'ordre de 10-2 Ω-1 · cm-1. Selon les matériaux, cette limite peut être plus
élevée : on constate l'impossibilité d’usiner par électroérosion pour une conductivité électrique
inférieure à 10-2 Ω -1 cm-1 pour les céramiques à base de nitrure de silicium, inférieure à 1 Ω -1 cm-1
pour des composites à base de Al2O3, inférieure à 200 Ω -1 cm-1 pour des composites à base de
Si3N4.
Le procédé est apte à usiner :
les alliages métalliques (aciers ; alliages réfractaires à base de nickel, cobalt, titane ; alliages
à base d’aluminium, cuivre, etc.) ;
les graphites ;
les céramiques conductrices ou semi-conductrices (SiC, B4C,TiB2, ZrB2, TiAl, Ni3Al,
FeAl, etc.);
certains matériaux composites (SiC-SiC par exemple) ;
certains matériaux semi-conducteurs (silicium, germanium, etc.) ;
des matériaux supraconducteurs (Ba2YCu3O7, par exemple) ;
le diamant polycristallin.
La ZAT (zone thermiquement altérée)
L’analyse métallographique sur une coupe d’une surface électroérodée d’un acier montre qu’il existe
une couche thermiquement affectée, que l’on sépare habituellement en trois sous-couches :
• la couche blanche est une couche dont la solidification s’est faite rapidement, elle est formée
par les cratères, elle est donc très irrégulière et il est difficile d’en évaluer l’épaisseur
moyenne. Il est prouvé que cette zone est enrichie en carbone, provenant de la décomposition
du diélectrique (hydrocarbure), ce qui augmente considérablement sa dureté.
• la couche trempée est la zone située immédiatement au-dessous de la couche blanche. Dans
cette couche, le métal n’a pas subi de fusion, mais a été fortement chauffé : la température a
dépassé le point de transformation austénitique pendant un laps de temps très court, puis chuté
brutalement, ce qui produit une trempe. Sa dureté est très variable.
• la couche de transition ou couche revenue assure la transition entre la couche trempée et le
métal de base. La température dans cette couche n’a pas été suffisamment élevée pour obtenir
la trempe, il s’est simplement produit un revenu (pour les aciers préalablement trempés).
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Les types de matériaux d’outils
Dans le cout de l’outillage pour l’usinage par électroérosion, l’électrode peut représenter une part
importante de l’investissement de départ (parfois supérieur 50% ou plus). C’est pourquoi il est
judicieux de choisir avec soin les matériaux qui seront utilisés, leur méthode de fabrication, et le
nombre à en prévoir. Pratiquement tous les matériaux conducteurs d’électricités peuvent être
utilisés avec des avantages plus ou moins importants pour chaque cas. Les matériaux qui ont le plus
haut point de fusion et la plus faible résistivité électriques seront les meilleurs choix.
Principaux matériaux d’électrodes utilisés :
a. Les cuivres
Il représente entre 30 et 40% des électrodes en enfonçage, avec un comportement en
usinage très satisfaisant :
2 types de cuivres sont utilisés :
•
Cuivre électrolytique : électrodes réalisée par
•
Extrusion, filetage ou étirage
Electroformage
Déformation à chaud ou à froid
Usinage traditionnel
Cuivres au tellure, au chrome ou au plomb :
La faible teneur des éléments d’alliage (de 1 à 3%) dans le cuivre électrolytique
améliore les qualités d’usinage par enlèvement de copeaux. Ces cuivres s’usinent
presque aussi bien que le laiton, il est donc aisé de réaliser des électrodes de
formes plus complexes que si elles étaient réalisées en cuivre électrolytique.
Néanmoins, les performances de ces cuivres sont moins performantes (5 à 10%
en enlèvement de matière et 5 à 15% en usure)
b. Les cuprotungstènes
Pseudo-alliages à structure parfaitement isotropes, les électrodes sont réalisées avec de la
poudre de tungstène (50 à 80%) et de cuivre (50 à 20%).
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Ils sont plus difficiles à usiner mais présentent un comportement en électroérosion
meilleur en usure mais plus lent en vitesse d’usinage. On les utilise principalement pour :
•
•
•
Les usinages de pièces en carbure de tungstène
Les usinages d’orifices traversant une pièce de part et d’autre très profonds
Les usinages de précision avec des détails très fins et répétitifs
c. Les aciers
Tous les aciers à outils peuvent très bien être utilisés, cependant les rendements sont
nettement moins bons que ceux obtenus avec le cuivre.
Les applications les plus importantes de l’usinage acier sur acier en électroérosion sont :
• Les plans de joints pour fermeture des moules à injection des matières plastiques
• Les formes d’outils d’emboutissage pour garantir un jeu constant entre les deux
parties
d. Les graphites
Le graphite est devenu le matériau le plus utilisé en usinage par électroérosion pour la
confection des électrodes. Il en existe une très grande variété sur le marché dont le
comportement est directement lié à la densité et à la grosseur des grains.
Le graphite à faible densité (1,6 à 1,7) permettra des enlèvements de matière plus
importants que le graphite dense (1,8 à 1,85). Par contre les taux d’usure volumétrique et
plus particulièrement la tenue des angles sont meilleurs sur ce dernier.
La finesse des grains qui constituent le graphite à une influence sur l’état de surface de
l’électrode, de même que sur l’état de la surface usinée. Ainsi, un graphite à grains fins
autorise l’obtention d’électrode dont l’état de surface est excellent, et qui, lors de
l’usinage de finition, permettra d’obtenir un meilleur état de surface qu’avec un graphite
à gros grains. De plus, la résistance à l’effritement des angles est améliorée.
Avantages
Insensibles aux chocs thermiques et gardent leurs qualités mécanique à haute
température
Leurs déformations sont pratiquement nulles
Ils sont facilement usinables
Faible densité donc poids des électrodes plus faible
Ils permettent d’obtenir le meilleur rendement d’usinage avec des taux d’usure très
faibles (inférieurs à 0,5%)
Les diélectriques
Le diélectrique est le bain dans lequel baigne l'ensemble pièce – électrode lors de l'usinage.
Il est presque toujours liquide, il doit assurer plusieurs fonctions :
• être isolant mais capable de devenir conducteur localement pour laisser passer la décharge et
la concentrer sur une petite surface (lorsque la tension de claquage est atteinte)
• pouvoir dissiper l'énergie thermique de la zone d'usinage et enlever les particules métalliques
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résiduelles
• concentrer l'arc dans une zone définie
De plus, il doit assurer ces fonctions dans le temps et, donc, ne pas se dégrader trop vite. Enfin, il ne
doit pas être agressif envers l’opérateur et la machine.
Fréquemment, on utilise de l'eau dé-ionisée pour les machines de découpage EDM à fil et du pétrole
ou de l'huile pour les machines EDM d'enfonçage.
La bonne pratique conseille un niveau du bain de diélectrique de 50 mm supérieur à la hauteur de la
pièce (enfonçage).
La viscosité du diélectrique joue un rôle important sur les performances : une faible viscosité fournit
une meilleure précision et un meilleur état de surface (le liquide pouvant se faufiler très facilement, on
peut avoir un gap très petit combiné à une bonne évacuation des résidus).
Par contre, pour les opérations d’ébauche, où l’on souhaite un grand débit de matière on utilisera un
diélectrique plus lourd.
Une pompe permet au diélectrique de former un circuit fermé, muni de filtre.
La machine est équipée d’un système de filtrage pour évacuer du diélectrique les résidus de la pièce
usinée.
Propriétés des pièces réalisées
La rugosité est de l’ordre de l’épaisseur totale de la couche altérée par l’électroérosion, elle dépend
pour beaucoup du régime d’usinage.
Une durée d’impulsion longue et une intensité élevées créent des cratères de grande dimension, ce
qui conduit à un débit de matière élevé et à un état de surface grossier. Inversement, une faible
durée de décharge et une faible intensité créent des cratères de petite taille, ce qui se traduit par un
faible débit de matière et un meilleur état de surface.
L’électroérosion est une technique d’une grande précision. Elle évite les déformations dues à un
effort de coupe puisqu’il n’y a pas de contact direct entre l’outil et la pièce. Sa précision peut
dépasser le centième de mm. Sa limite de précision dépasse ainsi l’usinage à grande vitesse et le
prototypage rapide.
L’absence d’effort mécanique sur la pièce lors de l’usinage abolit l’utilisation d’un lourd système
de bridage. De même, l’absence quasi-totale de couple et de puissance sur les pièces mobiles de la
machine en simplifie énormément la conception par rapport aux machines d’usinage conventionnel.
Après électroérosion, on constate une diminution importante, jusqu’à trois fois, de la tenue à la
fatigue. Les nombreuses sollicitations de la matière en surface ainsi que les contraintes résiduelles
dans les couches altérées sont responsables de ce phénomène. Par contre, grâce à ses propriétés de
surfaces la résistance de la pièce à l’usure et à la corrosion est augmentée.
Couts : L’électroérosion est un procédé relativement cher. La lenteur du procédé en est une des
causes et également le prix des électrodes dont l’usinage se fait souvent en sous-traitance. De plus
en finition, pour usiner une seule pièce, on peut être amené à utiliser jusqu’à quinze électrodes à
cause de l’usure extrêmement rapide de celles-ci.
Domaine d’application
L’usinage par électroérosion est donc un procédé plutôt lent, qui ne fournit pas une surface
d’excellente rugosité et qui nécessite la fabrication d’un outil de forme. Ses seules qualités sont sa
précision (à condition de maîtriser l’usure et donc d’utiliser plusieurs électrodes) et son aptitude à
produire des détails très fins que l’usinage à l’outil coupant ne permettrait pas d’obtenir. Les
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applications sont donc plutôt dans le domaine de la fabrication unitaire ou de petite série : outillage,
aéronautique, nucléaire, automobile (quelques applications).
Citons quelques exemples d’applications :
Par défonçage :
Outil de matriçage pour fabrication de
montures de lunettes
Moule d’injection pour cassette vidéo
Par fil :
Porte-moyeu de Formule 1
Moule d’injection de matière plastique
Avantages et inconvénients
Avantages :
Usinage des métaux durs: carbures
Usinage de pièces délicates préalablement traitées, évite les déformations, suppression
des efforts de bridage (la pièce n'étant jamais en contact avec l'outil)
Obtenir des formes quelconques
Très bonne précision et bon état de surface (identique à la rectification), présence d'une
couche dite couche blanche en général dure dans laquelle les caractéristiques du matériau
de base sont modifiées (risque de microfissures, départs d'amorces de rupture pour les
pièces soumises à des sollicitations de fatigue)
Extraction d'outils cassés (forets, tarauds)
Perçage de métaux durs ou trempés
Usinage de formes spéciales (trous de section carrée, triangulaire, en hélice, gravures
complexes).
Inconvénients :
Très lent
Dépendant d’une autre machine pour l’enfonçage (usinage de l’électrode) :
augmentation du prix
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Fumée, pollution olfactive
Sale
Conclusion
L’usinage par électroérosion est un procédé utilisé dans diffèrent domaine de pointe grâce à ses
avantages, par contre il ne peut s’appliquer qu’à l’usinage de matériaux conducteurs d’électricité, ce
qui est assez restrictif. La lenteur d’exécution par rapport à d’autre technique d’usinage limite son
utilisation plus générale.
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2. Découpe LASER
Introduction
La découpe laser "light amplification by stimulated emission of radiation " est un procédé de
fabrication qui utilise un laser pour découper la matière (métal, bois,...) grâce à une grande quantité
d'énergie concentrée sur une très faible surface.
On rencontre deux grands types de laser :
Laser de type YAG (pulsé),
Laser de type CO2 (continu)
Actuellement, les lasers à source CO2 sont largement majoritaires. En effet, ils permettent de
découper plus de matériaux et à une vitesse plus élevée que les lasers pulsés. Les lasers utilisés
couramment ont une puissance de 1500 Watts mais les sources peuvent varier de quelques Watts à
plus de 4000 W. La puissance doit être adaptée en fonction du matériau et de l'épaisseur à découper.
Ce procédé permet une découpe précise, nette et rapide de nombreux matériaux jusqu'à 20 mm. La
découpe se fait sans effort sur la pièce et la zone affectée thermiquement (ZAT) est assez faible, ce
qui permet d'avoir des pièces très peu déformées.
Le découpage laser est utilisé dans l'industrie depuis les années 1980. De nos jours, les machines de
découpe laser sont programmables et les performances de découpe sont en constante évolution :
diversification des matériaux métalliques (aciers, alliages d'aluminium,...), augmentation de
l'épaisseur de tôle découpable (jusqu'à plusieurs centimètres). Ces évolutions sont liées notamment
aux progrès réalisés en matière de sources laser.
Principe de fonctionnement du Laser
Pour comprendre le principe de fonctionnement du laser il faut parler du phénomène d’absorption et
d’émission, on parle du concept de « quantification de la matière ».
Les électrons sont répartis sur des niveaux énergétiques discrets (couches d’énergie). Cette
hypothèse (fondamentale et non intuitive) a été introduite par Niels Bohr (1913).
Les électrons ne peuvent se trouver que sur des couches bien
précises autour des noyaux atomiques, le passage entre 2
niveaux s’appelle transition.
La transition peut se produire par absorption et par émission de
lumière.
Un photon absorbé ou émis, correspondant à une onde de
fréquence ν, représentant une énergie égale à la différence entre
les deux niveaux d’énergie E1 et E2.
Niveaux énergétiques et transitions
électroniques.
E1 – état fondamental, E2 – état
supérieur.
‫ܧ‬2 − ‫ܧ‬1 = ℎߥ
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Absorption : lorsqu’un atome est exposé au
rayonnement électromagnétique (la lumière par
exemple) la transition peut se produire par
absorption de cet atome à une quantité d’énergie
et à une fréquence bien précise (photon de
lumière de fréquence ν). Cet atome passe alors
de l’état de base (fondamental) vers l’état
supérieur (excité).
Absorbtion : un photon de la fréquence ν fait passer un atome
de son état fondamental 1 vers l’état excité 2.
Emission spontanée : un atome dans un état excité peut se désexcité vers son état de base en
émettant un photon. La direction d’émission de ce photon est aléatoires. La fréquence est égale à la
fréquence de Bohr atomique ω12 qui dépend de la
nature de la matière et est définie par :
hωଵଶ ଶ ଵ
Ce phénomène se produit naturellement comme tout
retour à l’équilibre d’un système possédant un excés
d’énergie.
Emission spontanée : la deséxcitation d’un atome se produit
de manière spontanée et s’acompagne de l’emission d’un
photon de lumière dans une direction aléatoire.
Emission stimulée : la désexcitation d’un atome peut être provoquée par l’arrivée d’un photon
incident. L’atome retourne de l’état 2 vers l’état 1 en émettant un photon de même fréquence que le
photon incident. La longueur d’onde et la direction sont aussi les mêmes que celles des photons
incidents. Il y a donc amplification.
Emission stimulée : désexcitation de l’atome est stimulée par un photon
incident. Amplification de ce photon par un photon emis qui est a la
même fréquence ν.
Inversion de population et pompage:
Pour avoir une amplification il faut que les atomes soient plus nombreux dans l'état "haut"
(susceptible d'émettre de l’énergie) que dans l'état "bas" (susceptible d'absorber de l’énergie). Il est
nécessaire d’avoir une « inversion de population ».
Pourtant, à l’équilibre thermodynamique, le nombre des atomes en état « bas » est toujours
supérieur aux nombre des atomes en état « haut ». Il faut aussi ramener les atomes en état « haut »
après l’émission stimulée, donc pour maintenir «l’inversion de population » il faut un apport
d’énergie externe. Ce processus s’appelle « le pompage ».
Les sources d’énergie extérieures peuvent être de différents types :
•
Pompage électrique – un gaz est excité par une décharge électrique.
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•
•
Pompage optique (un autre laser) – matériaux adaptés sont des cristaux, rendement
faible.
Pompage chimique – excitation provoquée par des réactifs chimiques. Utilisé pour obtenir
de très hautes puissances, mais peu utilisé du fait de sa complexité.
Oscillateur laser :
Un oscillateur laser est un ensemble d’atomes
surexcités par une source de pompage
extérieure. Au départ, certains atomes vont
libérer les photons sous l’effet de l’émission
spontanée, donc les photons auront la même
longueur d’onde (même matière) mais ils
auront différentes phases et directions.
Les autres atomes désexcités par ces photons
connaîtront l’émission stimulée (photon émis à
la même phase et à la même direction). En
moyenne, le nombre des photons va
augmenter ; il y a une amplification optique.
Amplification optique
Si on place ce milieu entre deux miroirs
parallèles nous allons privilégier une direction
de propagation des photons. Cette direction
sera une normale aux deux miroirs (axe
optique), ces deux miroirs constituent une
cavité optique. Tous les photons ne vont pas
se propager suivant la direction privilégiée
mais ils seront rapidement perdues par
réflexions multiples et ne participeront plus à
l’amplification.
Dans la direction privilégiée le nombre de
photons va augmenter. Ces photons auront la même
longueur d’onde, la même direction et comme ils
sont créés par l’émission stimulée ils auront la même
fréquence.
Principe d’un oscillateur laser
• Nous aurons une amplification à condition que nous maintenions la surexcitation des atomes
(pompage) pendant un temps suffisant.
• Pour avoir un extrait d’énergie exploitable on utilise un miroir semi-réfléchissant.
• L’énergie maximum d’un laser est limitée par la puissance de la source de pompage et par le
nombre d’atomes qui peuvent être simultanément excités.
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Procédé d’usinage
L’énergie du rayon laser absorbée par la
pièce focalisée à travers une lentille ou
un
miroir,
provoque
une
fusion/vaporisation du matériau.
Les résidus de matières et fumées sont
expulsées de la saignée par un jet de gaz
à grande vitesse injecté dans l’axe du
faisceau au travers d’une buse de faible
diamètre.
Ainsi la tête de coupage appelée « tête
de focalisation » est alimentée par une
source laser mais également par une
source de gaz d’assistance.
Procédé d’usinage
Description du laser
« L’outil » représente l’ensemble des éléments (placés à proximité de la pièce à couper) qui permet
d’assurer les fonctions suivantes :
•
•
Un faisceau faiblement divergent émis par la source laser lors d’une focalisation obtenue
par lentille ou miroir permettant de concentrer sur une surface aussi petite que possible le
rayonnement reçu.
Une alimentation en gaz sous haute pression dans la saignée qui permet de dégager des
produits en fusion/vaporisation/combustion du matériau coupé.
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Schéma de principe d’une installation de coupage laser CO2
Types de laser
Les deux grands types de laser utilisés en milieux industriels sont les lasers à gaz et les lasers à
solides :
•
•
Dans les lasers à gaz (dioxyde de carbone) (les plus utilisés, représentent 95% du marché),
le milieu actif (milieu qui sera excité pour générer le faisceau) est un gaz et plus
particulièrement du CO2 . Ces lasers sont capables de produire de très fortes puissances
(fonctionnement en impulsion) de l'ordre de 106 W.
Dans les lasers à solides, les milieux actifs utilisés sont des cristaux. Dans le cas du YAG, le
composé solide est Y3Al5O12 (grenat d'yttrium et d'aluminium). Les machines à base de
laser YAG occupent pratiquement les 5% restants. Ils sont utilisés pour des travaux de
précision (précision de 0,01mm).
Gaz d'aide à la découpe
L’alimentation de la source de rayonnement laser est indépendante de celle de l’outil de coupage.
Les lasers à CO2 sont composés de CO2, d'azote et d'hélium, voire d'hydrogène et ce en proportions
très précises, bien qu’éventuellement variables d'un constructeur à l'autre.
En ce qui concerne le gaz d’évacuation, c’est principalement une action cinétique qui est
recherchée. Dans ce cas, n’importe quel gaz pourrait convenir mais, il s’avère qu’un choix judicieux
de ce gaz permet d’obtenir de meilleures performances.
Pour couper les aciers de construction, on utilise de l'oxygène, ce qui, compte tenu de la teneur en
fer de ceux-ci, ajoute un effet « oxycoupage » à l'effet laser (élimination des oxydes).
19
L’oxygène est également utilisé pour la découpe du cuivre et de ses alliages, ainsi que pour les
alliages d’aluminium. A noter que le cuivre et l'aluminium sont difficiles à couper à cause de leur
pouvoir réfléchissant élevé (voir point matériaux).
Les aciers inoxydables, dans leurs différentes nuances c'est-à-dire avec des teneurs en nickel et en
chrome variées, peuvent être coupés avec :
De l’oxygène pur, lorsque les critères économiques occupent le premier rang des préoccupations
(vitesse de coupe élevée, consommation de gaz d’assistance faible, mais qualité de coupe médiocre
notamment par formation importante d’oxydes de chrome sur les faces coupées) ;
De l’azote pur, lorsque le critère de qualité de coupe est prépondérant (qualité maximale, mais
vitesse de coupe plus faible et consommation de gaz d'assistance plus élevée).
On peut également réaliser un mélange des deux gaz en fonction des critères de productivité,
d’économie et de qualité recherchés.
Déformation
Si l'on chauffe rapidement une tôle de 20 mm d'épaisseur par exemple, on obtient une zone rouge
sur la face supérieure alors que la face inférieure est beaucoup moins chaude (figure 1a). Le métal
porté au rouge se dilate mais, étant bridé par le métal environnant plus froid donc bien moins
plastique, il ne peut que se gonfler. Lors du refroidissement, surtout si ce dernier est rapide, le
« gonflement » ne peut pas se résorber et provoque des tensions internes déformant légèrement la
tôle et provoquant un « retrait » (figure1b)
Figure 1a
Figure 1b
L’<L
20
L’énergie thermique résultant de l’absorption du faisceau laser par le matériau à couper, juste au
point d’impact, est distribuée sur une surface extrêmement petite (environ 0,1 mm2), il en résulte
que le volume de métal fondu par unité de temps est très faible (la saignée de coupe mesure 0,3 à
0,4 mm de large) et donc l'échange thermique par conduction (métal fondu vers métal froid) dans
une direction transversale à la saignée est extrêmement limité. Cela fait que les déformations sont
généralement négligeables avec ce procédé et ne posent pas de problème au niveau opératoire. Le
découpage par laser provoque une fine zone affectée thermiquement (ZAT) de l’ordre de 1/100 à
4/10 de mm à proximité de la saignée. Ce défaut sera négligé en fonction de l’utilisation finale de la
pièce.
Zone afféctée thérmiquement
ZAT sous le microscope
Matériaux coupés
Le laser permet la découpe de nombreux matériaux aussi bien métalliques que non métalliques, tels
que tissu, plastique, bois…
Quelques métaux sont très « réfléchissants » : l'aluminium, le cuivre et l'or notamment. N'absorbant
qu'une faible partie du rayonnement reçu, leur découpe par laser nécessite des puissances laser très
importantes en d’autres termes, les épaisseurs susceptibles d'être découpées sont limitées. Pour
contrer ce problème, une solution applicable est de placer sur la surface à découper un matériau
dont l’émissivité est élevée (proche de 1, exemple ruban adhésif noir).
21
Exemples des matériaux pouvant être coupés au laser
Qualités possibles
Précision de coupage
•
•
•
•
Découpe une large gamme de matériaux: bois, plastique, papier, acier,
aluminium,
Vitesse élevée
Grande souplesse d'utilisation
Précision + ou - 0.1 mm
Découpe par laser CO2
•
•
•
•
•
•
Transport possible par fibre optique
Précision + ou - 0.02 mm pour les lasers pulsés
Parfait contrôle de l'énergie déposée
Réservée presque exclusivement aux matériaux métalliques
Epaisseur de découpe limitée
La découpe par laser YAG continu permet d'obtenir des performances et
des résultats comparables aux lasers CO2 pour les matériaux métalliques
jusqu'à 3 ou 4 mm d'épaisseur.
Découpe par laser YAG
22
On voit ainsi que le coupage laser permet d’obtenir un niveau de précision relativement élevé, par
rapport aux autres techniques de découpe (plasma, oxycoupage, jet d’eau). Mais, en aillant ce gros
avantage en précision il faut faire attention à 2 points défavorables :
•
•
Performances en vitesse qui sont très médiocres dès que les épaisseurs s’accroissent.
Des investissements de mise en œuvre importants.
Comme les déformations dues aux échanges thermiques sont négligeables, on peut considérer que
les écarts de cotes sur pièce ne dépendent plus du procédé mais uniquement de la précision de
déplacement de la machine.
En ayant ces avantages de précision devant les autres techniques de découpe, la découpe laser reste
une technique d’usinage moins-précise par rapport à l’usinage conventionnel (avec machine-outil)
où on parle de centièmes et millièmes de mm de précision.
Epaisseur de coupage
Les valeurs courantes rencontrées en industrie vont de quelques dixièmes de millimètre à :
• 20-25mm pour l’acier de construction
• 12-15mm pour l’acier inoxydable
• 5-6mm pour les alliages d’aluminium
Ces limites supérieures sont fonction de la puissance maximale disponible de la source. Sur les
matériaux non-métalliques les épaisseurs (possibles) peuvent atteindre plusieurs centimètres.
Distance focal
Il existe des lentilles de 2.5 / 5 / 7.5 / 10 pouces de longueur focale.
Si la distance focale (F) augmente, la marge de travail est plus large par contre, si la distance
focale est petite, le travail est plus précis. Dans le jargon, « on règle le focus »...
Suivant la nature du travail, l’opérateur de la machine choisit le type de lentille la plus
adaptée. La précision du laser est donc fonction de la lentille utilisée.
23
Qualité de surface
Les chants coupés sont très finement striés et bien parallèles. Il y a un risque de légère carbonisation
des champs coupés. Ce qui peut entrainer une augmentation de la dureté de la surface du matériau.
Sur les plastiques, les champs sont parfaitement brillants et polis alors que les procédés mécaniques
(sciage, tronçonnage, etc.) fournissent une surface rugueuse.
Exemples d’applications
Voici quelques domaines d’application où le laser est couramment utilisé :
•
•
•
•
•
Procédés laser et matériaux : soudure, découpe, perçage
Transfert d'information : gravure CD, télécommunication via fibre optique
Métrologie : mesure de distance, vibrométrie
Applications médicales : ophtalmologie, chirurgie, dentisterie, dermatologie
Applications militaires : armes antisatellites
24
3. Découpe jet d'eau
Introduction
La découpe au jet d’eau est un procédé apparu dans les années 40 et qui consiste à découper les
matériaux en projetant de l’eau à travers une tête de découpe à une vitesse pouvant représenter
jusqu’à 2 à 3 fois celle du son. Grâce à la compression de l’eau dans une pompe dotée d’une buse
étroite (0,3 mm à 0,4 mm), le déplacement de ce jet d'eau permet d'obtenir un trait de coupe. La
machine permettra de travailler n’importe quel matériau.
Principe
Un mince filet d'eau sous très haute pression, propulsé par une buse de quelques dixièmes de
millimètres à la vitesse supersonique de 900 m/s, perfore et coupe les matériaux. L’outil de coupage
proprement dit est relativement simple et comporte une buse de sortie, généralement en saphir ou en
diamant (Leur durée de vie est limitée, puisqu'elles sont aussi usées par l'eau. En découpe à l'eau
pure, nos buses en saphir durent environ deux cents heures, et celles en diamant le double),
raccordée à la tuyauterie d’arrivée d’eau sous pression.
L’ensemble est parfois complété par un dispositif d’injection d’abrasif en poudre, surtout pour le
coupage des métaux ou plus généralement des matériaux durs.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
9.
10.
11.
Fluide de coupe (eau)
Buse de sortie.
Chambre de mélange.
Support de maintien vertical de la buse.
Canon de focalisation.
Matériau à couper.
Support.
Surface découpée.
Buse de sortie (en saphir).
Grains d’abrasif.
25
Création de la haute pression
Le compresseur qui est le cœur de la découpe par jet d’eau à très haute pression, utilise principalement
deux principes de compression (les compresseurs usuels ne permettent pas d’atteindre seul de telle
pression) :
•
•
Le multiplicateur de pression,
La pompe à entraînement direct.
Multiplicateur de pression
C’est le système le plus utilisé. Ce groupe électrique de pompage reposent sur un principe de
compression à deux étages dont la partie maîtresse est un piston alternatif à deux sections ayant un
rapport de surface allant de 20 à 40, tout ça à des débits moyen de 0,5 à 12l/min.
•
•
L’étage moyenne pression est une centrale oléo-hydraulique de forte puissance (30 à 75
kW) fournissant une huile haute pression (100 à 200 bars) agissant sur la grande section du
piston alternatif.
L’étage haute pression repose sur le principe d’un vérin alternatif à double effet agissant
comme une pompe à pistons qui permet d’obtenir une eau très haute pression.
Le groupe est piloté par un automate programmable qui règle aussi la vanne de contrôle en continu
de la haute pression pour lancer la
coupe.
Les deux principaux problèmes
que l’on peut rencontrer avec
cette technique concernent les
variations de pression lors du
changement de sens du vérin et
l’étanchéité.
On résout
le
problème de l’étanchéité grâce à
un joint très haute pression, de
l’eau
déminéralisée
et
soigneusement
filtrée.
Les
variations de pression sont
absorbées par un accumulateur
placé dans le circuit.
26
Pompe à entrainement direct
Ces
pompes
utilisent
le
principe
des
pompes
traditionnelles
à
pistons.
Ces systèmes sont plus généralement employés pour des opérations de nettoyage. Elles délivrent
des pressions plus faibles de 50 à 2700 bars mais avec des débits beaucoup plus importants :
supérieurs à 500 l/mn.
Découpe
Sans adjuvant
Le diamètre du jet d'environ 0.1 mm est tellement fin que la perte de matière occasionnée par la coupe est
pratiquement insignifiante. Cette finesse permet d'obtenir des rayons mini d'environ 0.05 mm tout en
permettant de suivre de façon très précise des profils complexes.
Ce jet est particulièrement performant pour couper les matériaux tendres comme les mousses, les matières
caoutchoutées ....
Avec adjuvant
LES POLYMÈRES
Les premiers adjuvants utilisés sont les polymères à
fibres longues pour obtenir une meilleure cohérence
du jet, donc une divergence plus tardive.
Cela permet de découper des produits de grande
épaisseur tout en gardant une bonne qualité de coupe.
L’eau de coupe, filtrée à 1 mm, est automatiquement
additionnée de polymères plastiques à fibres longues
à un taux de 0,2 à 5%.
En plus d’améliorer la cohérence du jet, l’adjonction
de polymères augmente la tension superficielle du
fluide de coupe, ce qui entraine :
- une augmentation de la durée de vie des buses (de
l’ordre de 1,5 à 2 fois),
une lubrification des joints tournants de
l’installation,
- une diminution de l’humidité résiduelle dans les
pièces coupées.
27
LES ABRASIFS
On a commencé, au milieu des années 80, à mélanger des abrasifs au jet d’eau HP ou THP pour
pouvoir découper des matériaux très durs tels que l’acier, le titane, le marbre ou le kevlar. Et cela
sans contraintes thermiques au niveau de la
coupe. Les différents abrasifs utilisés sont des
particules de grenat, oxyde d’aluminium,
carbure de silicium, particules d’acier, scories de
cuivre, sable de silice ou poudre de verre.
Le système de découpe à l’abrasif comprend :
- un injecteur d’abrasifs,
- un doseur d’abrasifs,
L’injecteur d’abrasifs se monte en extrémité du
porte-buse et comprend :
tube
- une chambre de mélange par effet VENTURI,
- un canon en carbure de tungstène, maintenu
une pince à 3 mors, qui dispose d’un système de
centrage du jet.
par
Tolérances et états de surfaces
Tolérance et épaisseur de coupe
Tolérances
Epaisseur du matériau
0.05 mm (cas particulier
0,1 en standard)
> 400 mm
Les métaux sont normalement découpés jusqu'à une épaisseur de 150mm. Il existe toutefois des
applications spéciales permettant une découpe jusqu'à 400mm.
Explications sur le retard de coupe
Le retard de coupe est un des phénomènes qui provoque des stries sur les faces découpées.
Il résulte de deux facteurs :
•
•
l’épaisseur de la pièce à découper
la vitesse de déplacement buse/pièce.
Plus ces facteurs sont importants, plus il y aura de stries sur la face de pièce découpée. Le jet d’eau THP ne
perfore pas instantanément le matériau à découper : plus il est épais, plus il faut de temps. Cela conjugué
au mouvement de la buse provoque le retard de coupe puisque le jet n’a pas eu le temps de déboucher
(voir figure ci-dessous).
28
En plus du phénomène de stries, il se peut que la pièce ne soit pas découpée sur toute son épaisseur
avec une vitesse d’avance de buse trop importante
Profil de coupe
Parallèlement au retard de coupe, un autre
phénomène peut provoquer des problèmes, il
s’agit de l’apparition de dépouilles lors de la
découpe. Lorsque le jet pénètre dans la
matière, le diamètre effectif devient plus petit
cause de la friction contre la paroi et de la
réduction des impacts abrasifs causée par le
rebondissement et la déviation du jet.
à
En conséquence, la largeur de coupe diminue
lorsque la profondeur augmente.
Comme le jet est cylindrique, un rétrécissement
similaire se produit perpendiculairement aux directions de déplacement et à la profondeur.
Remarque : lors de l’utilisation de vitesse de coupes faibles, le profil s’inverse, et des excroissances sont
provoquées par des turbulences dans la matière.
En résumé, voici les courbes d’évolution de la profondeur de coupe en fonction des trois principaux
paramètres :
•
•
•
la pression du jet,
la quantité d’abrasif injectée dans le jet,
la vitesse de déplacement.
Rappelons que lorsque la pression augmente, il est possible de découper des épaisseurs plus importantes,
mais l’usure des différents éléments de l’outil s’accroît d’une manière non négligeable.
Avec les nouvelles machine, les phénomènes de dépouilles commencent à s’atténuer jusqu’à même ne plus
en avoir dans certains cas.
29
Etat de surface :
Nous distinguons plusieurs qualités de découpe sur un même matériau pour une épaisseur donnée.
Ces qualités dépendent directement de la vitesse de déplacement du jet par rapport à la matière. Plus
le jet est ralenti plus les tolérances dimensionnelles et géométriques peuvent être réduites. Avec des
machines récentes et de haute qualité, nous pouvons atteindre des précisions de +/- 0.01 mm avec
une rugosité (Ra) jusqu’à 0.8.
Paramètres de coupe
Les facteurs ci-dessous déterminent la vitesse de coupe :
a) Pression :
Une pression plus élevée augmente la densité du flux d'énergie du jet de découpe et par
conséquent la capacité de découpe. La vitesse de coupe peut augmenter de 35% au maximum
à une pression de 6 200 bar.
b) Epaisseur du matériau :
Règle générale : avec une épaisseur de matériau diminuée de moitié, la découpe peut se faire
deux fois plus vite.
c) Diamètre de buse :
Une buse de plus gros diamètre fournit une plus grande énergie dans le matériau et augmente
par conséquent la vitesse de découpe. Une buse de dimensions doubles envoie quatre fois plus
d'eau de découpe et augmente la vitesse de coupe jusqu'à 80% en fonction de l'application. Il
est par conséquent recommandé de découper plusieurs pièces en parallèle avec de petites
buses.
d) Dosage d'abrasif :
L'augmentation de l'abrasif ajouté peut augmenter la vitesse de coupe. Doubler le débit a pour effet
une augmentation de 20 à 40% environ, en fonction de l'épaisseur du matériau.
30
e) Dosage d'abrasif :
L'augmentation de l'abrasif ajouté peut augmenter la vitesse de coupe. Doubler le débit a pour effet
une augmentation de 20 à 40% environ, en fonction de l'épaisseur du matériau.
f) Qualité de découpe :
Si une très bonne qualité d'arête est demandée, la durée de traitement peut être cinq fois plus
élevée.
Vitesse de coupe
Débit d'abrasif
350g/min
Abrasif
80 Mesh
Qualité de l'arête de coupe
fine - moyenne
Diamètre de buse
0,25 mm
Diamètre de tube focalisation
0,76 mm
Pression de pompe
6.200 bar
Matériau
Epaisseur
Vitesse de coupe
Acier
20 mm
50 mm / min
Pression de pompe
4.200 bar
Matériau
Epaisseur
Vitesse de coupe
Acier
20 mm
35 mm / min
Titane
20 mm
30 mm / min
Aluminium
20 mm
75 mm / min
Marbre
20 mm
45 mm / min
Verre
20 mm
80 mm / min
Particularités de la découpe au jet d'eau :
•
•
Découpe en plusieurs couches
Le jet d'eau peut découper sans problèmes des pièces en plusieurs couches de différents
matériaux. Il convient de noter que le jet d'eau supporte mal les creux importants quand il doit
découper simultanément des matériaux durs, puis tendres. La couche supérieure dure du
matériau freine le jet sur les bords tandis que le centre du jet continue à s'écouler à grande
vitesse. Il en résulte dans le jet une composante de mouvement se déplaçant sur le côté et
servant à déployer le jet. Le jet d'eau pénètre alors nettement plus large dans la deuxième
couche de matériau.
Découpe de corps creux :
La découpe de tubes au jet d'eau demande une construction d'installation particulière. Ceci est
dû au fait que le jet d'eau se disperse après pénétration de la paroi de tube supérieure et n'est
31
plus focalisé de façon précise quand il rencontre la paroi opposée. La solution est un système
à banc rotatif assurant un impact toujours à 90° du jet d'eau sur le tube.
Défaut angulaire :
En fonction des exigences relatives à la qualité d'arête de coupe, il est possible d'obtenir une
très bonne précision angulaire en harmonisant en conséquence la pression de pompe, la
quantité d'abrasif et la vitesse de coupe. Il existe, de la même manière, des systèmes de
guidage permettant d'optimiser encore la précision angulaire via inclinaison variable de la tête
de découpe au moyen d'un logiciel approprié.
•
Avantages et inconvénients
La comparaison se fera entre :
•
•
le jet d’eau (pure ou chargé d’abrasif),
le laser (1,5 kW).
L’investissement de base est identique pour les premiers outils cités, c’est-à-dire de l’ordre de
150000 €. Les coûts horaires d’exploitation peuvent être comparés en fixant comme base la
découpe par jet d’eau à l’eau pure :
On remarque que la technologie jet d’eau THP avec abrasif est plus onéreuse à l’utilisation.
Toutefois, il faut noter que les chiffres sont du même ordre de grandeur, ce qui veut dire que
puisque des progrès sont très probables dans la technologie jet d’eau, qui en pleine expansion, on
peut espérer avoir des coûts d’exploitation identiques ou même inférieurs aux autres technologies.
AVANTAGES
INCONVÉNIENTS
JET D’EAU ABRASIF
-
-
-
Découpe des matériaux épais (> 100
mm) et des matériaux hétérogènes.
Pas de chaleur, absence
d’échauffement des fonds de coupe,
donc pas de zones affectées
thermiquement.
Découpe de matériaux très durs
(céramiques).
Pas d’émission de gaz ou vapeurs
toxiques lors de la découpe de
matériaux organiques.
Formes de découpe non limitées.
Possibilité d’utiliser plusieurs têtes.
-
-
Découpe complète des corps creux
difficile, dépouille importante.
Mouillage des pièces dans certains
cas.
Pointage de certains matériaux
stratifiés, délaminage possible.
Dans la tôle noire vitesse inférieure
au laser pour une épaisseur égale (<
20 mm).
Usure du canon (tube de
focalisation) à surveiller.
Bruit parfois important suivant les
mises en œuvre, de l’ordre de 75 à
32
-
Pas de contact direct outil/matière et
peu de déformations.
120 dB.
LASER
-
Grande vitesse de coupe.
Travail précis. Économie de matière.
Découpe de matériaux très durs
(céramiques).
Largeur de saignée réduite.
Zone affectée thermiquement faible.
Pas de contact direct avec la matière.
Déformations pratiquement nulle.
Pas d’usure d’outils. Pas d’outillage.
-
-
Épaisseurs limitées.
Certaines matières ne peuvent être
découpées de par leur composition ou
leur indice de réflexion (ex. : cuivre).
Dégage des gaz toxiques pendant la
découpe des matières synthétiques.
Ne découpe pas les corps creux en
multicouches (ex. : nid d’abeilles.
Coût de l’installation.
Matériaux découpés
Jet d'eau pur :
- papier, cartons
- cuir
- textiles et non tissés
- matières synthétiques, films plastiques ou composites
- matières plastiques, mousses plastiques
- matériaux composites : stratifiés, verre, carbone, aramides, polyamides, SIC, etc.
- bois, placages, contre-plaqués, panneaux de particules, liège
- matériaux du bâtiment : amiante, fibrociment, plâtre, matériaux isolation, laine de verre, laine de
roche, fibres céramiques, etc.
- matériaux pour fournitures industrielles : caoutchouc, feutre, klingerit, élastomères
- produits frais ou congelés dans les process agro-alimentaires.
Jet d'eau abrasif :
- aciers (courants, inox, spéciaux, etc.).
- métaux et alliages (zinc, cuivre, aluminium, titane, etc...
- verre standard ou multifeuilleté
- pierres ornementales
- faïence et céramiques
- composites sandwich
Nouvelles technologies
Le jet d’eau et la chirurgie
- Handyjet :
33
Le bistouri à eau Handyjet est un dispositif qui permet la découpe du foie dans la chirurgie
hépatique. La découpe traditionnelle au scalpel laisse échapper une grande quantité de sang
(environ un litre) pendant le temps de la découpe et de la suture des vaisseaux. Le jet d’eau permet
une découpe sélective des tissus sans sectionner les vaisseaux lymphatiques ni sanguins. Ainsi
l’acte chirurgical est fondamentalement modifié ; le chirurgien découpe le tissu du foie puis clampe
les vaisseaux pendant leur suture avant de les sectionner.
Le dispositif est constitué d’une bouteille d’azote médical à 200 bars qui approvisionne un caisson
de mise sous pression dans lequel est placée une poche de liquide. La pression dans le container est
programmable (jusqu’à 70 bars sont admis) et contrôlée en permanence par un capteur. Par
compression de la poche de solution, l’eau est expulsée à la pression sélectionnée vers une pièce à
main munie d’un clamp permettant de couper le jet à tout moment. Cette pièce à main comporte une
buse (tige métallique) au bout de laquelle est serti un rubis synthétique percé d’un trou de diamètre
très fin (généralement compris entre 0.08 mm et 0.6 mm) définissant le diamètre du jet d’eau.
Ce système présente l'avantage de ne comporter que des constituants peu coûteux et jetables (pièce
à main, flexible, poche et eau) comparé à la stérilisation par autoclave très longue et très onéreuses
à l'installation et à l'utilisation.
-
La kératoplastie :
La kératoplastie (nom médical de la greffe de cornée) consiste à remplacer la partie de la cornée
malade par une cornée saine d'un donneur décédé. C’est une chirurgie ophtalmologique qui permet
à de nombreux patients de retrouver une bonne vision alors qu'ils étaient porteurs d'une opacité de
la cornée ou d’une déformation de la cornée qui les rendaient, si pas aveugles, du moins
malvoyants.
Cette découpe est actuellement effectuée au laser.
Quelques équipes de chercheurs proposent de faire cette opération à l’aide du jet d’eau. Il comporte
trois unités : un générateur de pression, un robot trois axes porte-outil et l’outil. Un anneau de
succion immobilise l'œil et crée une pression déformant la cornée en fonction de l'épaisseur à
prélever. Le jet d'eau, de diamètre de 50 µm et de pression de 280 bars, est appliqué
perpendiculairement à l'axe optique et aspiré par une capsule de l’autre côté de l’œil. Le chirurgien
suit l'opération sur un écran vidéo et peut actionner une pédale d’arrêt d'urgence à tout moment. Des
34
essais de découpe sur des yeux de lapins et de bœufs ont montré l'efficacité d'un tel outil, donnant
un bon état de surface, n'entraînant pas de dommages ni de complications, l'incision se faisant par
séparation. La découpe est très rapide (1 à 2 secondes) et ne nécessite qu'une seule passe. La
reformation épithéliale est rapide et normale en 48 heures. La pression intraoculaire reste quasiment
inchangée pendant l'opération. La mise en œuvre d'un tel outil, sa maintenance et son utilisation
sont beaucoup plus simples et moins onéreuses comparées au laser.
35
4. Le prototypage rapide
Introduction
Le terme « prototypage rapide » fait référence à une technologie qui peut automatiquement
construire un modèle de manière physique à partir de la CAO. Ces « imprimantes 3D » permettent
au designer de créer rapidement un prototype très proche de la réalité, ce qui génère un plus
indéniable dans la conception par rapport à de simples images 2D. Ces modèles ont de nombreuses
utilisations. Ils font d’excellents supports visuels pour communiquer des idées avec des collègues
ou des clients. De plus les prototypes peuvent être utilisés pour les essais de conceptions. Par
exemple : test aérodynamique d’une maquette d’avion.
De plus, la technique de « prototypage rapide » peut être utilisée pour fabriquer des outils (appelé
« outillage rapide ») ou des pièces de qualité. Pour les petites séries et les objets compliqués, le
prototypage rapide est souvent le meilleur procédé de fabrication disponible. Bien sûr, « rapide » est
un terme relatif. La plupart des prototypes nécessitent de 3 à 72 heures de fabrication en fonction de
la taille et de la complexité de l’objet. Ces gains de temps spectaculaires permettent aux fabricants
de mettre leurs produits sur le marché beaucoup plus vite et à moindre coût.
La nature additive du prototypage rapide permet de créer des objets de formes (internes ou externes)
très compliquées qui pourraient très difficilement être fabriqués par une autre méthode. le
prototypage est une technologie remarquable qui est entrain de révolutionner l’industrie. Dans le
futur, si le développement de cette technologie continue, on devrait tendre vers la fabrication rapide.
L'entreprise doit faire face à trois phénomènes a
priori contradictoires :
•
•
•
la baisse du temps de mise sur le
marché d'un produit
la baisse des coûts
la maîtrise de la qualité
Pour ce faire, les entreprises ont
dû adapter
leur processus de production en prenant en compte
quelques notions comme :
•
•
la concurrence : explorer différentes
variantes d’un produit afin de retenir la
solution la mieux adaptée,
la simultanéité : prendre en compte
différents aspects ou différentes phases
de la conception en parallèle afin de
gagner du temps (ex : mettre en
parallèle l’aspect conception technique
avec l’aspect marketing, ergonomie, …).
Figure 1: mise en parallèle de différents aspects de
la conception
36
Le prototypage rapide permet de matérialiser la maquette numérique à tout moment et ce tout au long de
son cycle de vie. Ceci permet donc de réduire de façon non négligeable le temps du processus de
développement du produit :
Ce mode de travail génère des remises en cause tardives qui rallongent le cycle de conception.
Les validations fréquentes rendues possibles par le prototypage rapide limitent les retours en arrière.
37
Le processus de base
Bien que plusieurs techniques de prototypage rapide existent, toutes utilisent le même principe qui
comprend 5 étapes.
•
Créer un modèle CAO de la conception
Tout d’abord l’objet à construire est modélisé à l’aide d’un logiciel CAO. On choisira plutôt un
modeleur solide tel Autodesk Inventor, Solidworks, Catia… plutôt qu’ AutoCAD par exemple. En
effet, les premiers tendent à représenter les objets 3D avec plus de précision.
•
Convertir le modèle CAO au format STL
Les différents logiciels de CAO utilisent des algorithmes différents pour représenter des objets
solides. Pour assurer une certaine cohérence, le format STL (stéréolithographie, la première
technique de prototypage rapide) a été adopté comme standard par l’industrie du prototypage
rapide. Ce format représente un objet en 3D comme un assemblage de triangles. Augmenter le
nombre de triangle améliore la précision mais augmente la taille des fichiers ainsi que le temps de
fabrication.
•
Trancher le fichier STL en fines couches transversales
Un programme prépare le fichier STL à la fabrication. Il permet à l’utilisateur d’ajuster la taille,
l’emplacement et l’orientation du modèle. Le choix de l’orientation est très important pour plusieurs
raisons. Tout d’abord, les propriétés des prototypes varient d’une direction à l’autre. Par exemple
les propriétés mécaniques sont souvent plus faibles dans la direction Z que dans les plans X et Y.
De plus la direction de la pièce détermine en partie le temps de construction du modèle. En effet,
placé la plus petite dimension dans la direction Z réduit le nombre de couches et donc diminue le
temps. En fonction de la technique l’épaisseur de couche entre 0,01 et 0,7 mm. De plus le
programme génère une structure auxiliaire qui supporte le modèle pendant la fabrication. Cette
38
structure auxiliaire est utile pour les formes délicates telles des cavités internes, les parois minces,
les portes à faux, ...
•
Construire le modèle une couche sur l’autre
La construction se fait par la pose couche sur couche de polymère, papier, ou poudre métallique. La
plupart des machines sont assez autonomes et nécessitent très peu d’interventions humaines.
•
Nettoyer et terminer le modèle
L’étape finale consiste à l’enlèvement du prototype et le détachement de ses supports. Les
prototypes nécessitent également un nettoyage ainsi qu’un traitement de surface qui permet
d’améliorer l’apparence et la durabilité.
39
Les techniques de prototypage rapide
Stéréolythographie
Breveté en 1986, elle a été la première technique de prototypage rapide. Elle construit un modèle
3D à partir d’un polymère liquide photosensible qui se solidifie lorsqu’il est exposé à une lumière
UV. Comme le montre la figure, le modèle est construit sur une plate-forme située juste en dessous
de la surface dans une cuve d’époxy liquide ou de résine acrylate.
Ainsi, point par point, se construit une
couche de la future pièce. Ensuite, la
couche descend pour se couvrir d’une
mince épaisseur de résine qui sera
polymérisée point par point à son tour.
C’est ainsi que, couche par couche, la
pièce se construit dans la cuve de résine.
Lors de la dernière étape, le mélange non
polymérisé est dissout dans un solvant
adéquat. Ceci constitue une limite de ce
procédé : une sphère creuse ne peut pas
être formée puisque le mélange non
polymérisé ne peut pas être retiré. Les
pièces ainsi obtenues s’apparentent à des
pièces plastiques.
Les objets tels quels sont inutilisables de
par leur faible résistance mécanique : ils
sont surtout employés pour former des moules.
Applications
•
•
•
Validation esthétique
Valider un concept
Capable d'être un modèle pour la création d'un moule en silicone
Avantages
•
•
•
Très bonne finition possible (ponçage + sablage + peinture)
Bonne précision (+/- 0,1mm tous les 100mm) avec possibilité de réaliser des détails fins
(jusqu'à 0,6mm)
Idéal pour la création de moule en silicone pour la coulée sous vide
40
Inconvénients
•
•
•
•
•
Résistance à la température limitée (maxi 50°C)
Résistance mécanique limitée
Requiert un post-traitement
Matériaux limités
Structure de support toujours nécessaire
Variante
Une variante de cette méthode est l'insertion de poudres céramiques (alumine, zircone, hydrox
apatite...) à l'intérieur du mélange. La suspension une fois insolée forme un réseau polymère
emprisonnant les particules minérales. Un traitement thermique de l'objet permet d'obtenir une
céramique dense.
Application : Les propriétés des céramiques obtenues par cette technique sont équivalentes aux
procédés traditionnels (coulage, pressage...), les objets sont donc employables comme prototype
pour moule de fonderie, prothèses médicales, petites séries de formes très complexes.
Impression par dépôt de fil fondu (FDM, fused deposition modeling)
Le principe de fonctionnement de ce procédé consiste à déposer de la matière provenant d’un fil
fondu pour créer une pièce couche par couche. Ce procédé qui a été développé en 1988 utilise le
mouvement d'une machine 3 axes pour déposer un fil en fusion d’un diamètre de l’ordre du 1/10ème
de millimètre sur la pièce en cours de fabrication. La solidification est instantanée quand le fil entre
en contact avec la section précédente. Les matériaux utilisés pour le fil sont des thermofusibles
comme le nylon, le polypropylène, l'ABS,… et de la cire pour un usage en fonderie à modèle perdu.
Ces machines sont destinées aussi bien au prototypage rapide qu'à la production numérique directe,
un marché en plein développement.
41
Applications
•
•
Prototype de forme.
Marketing, secteur artistique, architecture.
Avantages
•
•
•
•
•
Un large choix de matière (ABS, Polycarbonate, PPSF (polyphenylsulfone), ULTEM
(autoextinguible))
Bonnes propriétés mécanique des pièces réalisées
Des supports solubles
Différentes couleurs disponibles
Tenue géométrique
Inconvénients
• Pas bon pour de petites pièces, petits détails et petites parois
• Finition
• Structure-support parfois nécessaire
• Peu résistant suivant l’axe Z
• Lent
Le frittage de poudre (SLS, selective laser sintering)
Le principe est analogue à celui de la
stéréolithographie : la résine photopolymérisable est
remplacée par de la poudre et le laser argon (ou
HeCd) par un laser infrarouge (CO2). Le laser balaie
la surface dans le plan x-y, provoquant une
agglomération ou une fusion du matériau. La poudre
est préchauffée afin que le laser apporte juste
l’énergie nécessaire pour provoquer la fusion. Un
plateau, supportant le bac rempli de poudre, descend
d’une épaisseur de couche après chaque passage.
Divers types de poudre sont proposés selon les
constructeurs de machine:
•
•
•
•
•
plastique (Nylon, ABS, polycarbonate, Nylon composite, polystyrène)
métaux (acier avec infiltration de cuivre en post-traitement, mélange bronze-nickel...)
céramique
cire
sable
42
Les pièces fabriquées par ce type de procédé sont poreuses. Selon l’utilisation souhaitée, les
constructeurs de machine proposent de réaliser des infiltrations de matière, afin d’accroître les
caractéristiques mécaniques des modèles fabriqués.
Applications :
• Prototype de forme.
• Fonctionnel.
• Fabrication de prototype d'industrialisation (rapid-tooling).
Avantages :
• Variété de matériaux
• Pas de post-traitement nécessaire
• Pas de séchage des pièces après fabrication, excepté pour la céramique
• Pas besoin de structure-support
Inconvénients :
• La surface des pièces est poreuse et la finition grossière
• Nombre important de variable lors de la fabrication (retrait,…)
• Les machines peuvent prendre du temps à chauffer pour atteindre la température de
fabrication, et à refroidir ensuite.
• Les pièces peuvent se déformer de façon significative.
Applications du prototypage rapide
43
Le prototypage rapide est largement utilisé dans l'industrie automobile, aérospatiale, médicale, et
des produits de consommation. Bien que les applications possibles soient pratiquement illimitées,
presque toutes appartiennent à l'une des catégories suivantes: prototypage, outillage rapide, ou
fabrication rapide.
Le prototypage
Comme son nom l'indique, la principale utilisation du prototypage rapide est de créer rapidement
des prototypes de communication et de test. Ces prototypes améliorent considérablement la
communication parce que la plupart des gens, y compris les ingénieurs, disposent d’objets en trois
dimensions. Ceci conduit à d'importantes économies de coûts et de temps. En disposant des
premiers prototypes en phase de conception, on peut commencer la fabrication des outillages de
production tandis que la division design commence à planifier l'emballage, le tout avant que la
conception soit finalisée.
Les prototypes sont également utiles pour tester un modèle. Les ingénieurs ont toujours fait des
tests sur des prototypes, mais le prototypage rapide élargit leurs capacités. Ainsi, il est maintenant
facile d'effectuer des tests itératifs: construire un prototype, le tester, le redessiner, le reconstruire et
le réessayer, etc. Une telle approche prendrait beaucoup trop de temps avec les techniques de
prototypage traditionnelles.
Exemples industriels
Porsche a utilisé la stéréolithographie pour produire un modèle transparent de la transmission de la
911 GT1 pour étudier visuellement l’écoulement de l’huile.
44
Rapid tooling
Une application très intéressante du prototypage rapide est d'outillage rapide, la fabrication
automatique d’outils de production de qualité. La fabrication de l'outillage est l'une des étapes les
plus lentes et les plus chers dans le processus de fabrication, en raison de la qualité extrêmement
élevée nécessaire. Les outils ont souvent des géométries complexes, mais doivent être
dimensionnellement précis au centième de millimètre, voir plus. En outre, les outils doivent être
durs, résistants à l'usure, et avoir rugosité de surface très faible. Pour répondre à ces exigences, des
moules et des matrices sont traditionnellement fabriqués par usinage CNC, électroérosion, ou à la
main. Ces procédés sont coûteux et longs. Le prototypage rapide permet d’accélérer grandement ce
processus. Certains estiment que les coûts d'outillage et de temps de développement peuvent être
réduits de 75% ou plus grâce à l'utilisation de l'outillage rapide et des technologies connexes.
Exemples industriels
Un exemple frappant au niveau de l’utilité du rapid tooling est le cas des moules d’injection
plastique. En effet, ceux-ci doivent être refroidit par des canaux situés au sein même du moule. Par
les procédés de fabrication conventionnels on est très limité au niveau de la géométrie de ces
conduits vu qu’on ne dispose que du forage. Ce qui fait que les canaux ne peuvent suivre des
trajectoires complexes et donc le moule n’est pas refroidit de manière identique partout. Avec le
rapid tooling, on peut fabriquer ces moules avec des canaux de refroidissement épousant
parfaitement la forme de ce dernier.
Rapid manufacturing
Une extension naturelle du prototypage rapide est la fabrication rapide, la production automatisée
de produits commercialisables à partir de données CAO. Actuellement, seuls quelques produits sont
produits par des machines RP, mais le nombre augmentera à mesure que les métaux et autres
matériaux deviendront plus largement disponibles. Le rapid manufacturing ne remplacera jamais les
autres techniques de fabrication, en particulier la production de grandes séries où la production de
masse est plus économique.
Pour les cycles de production courts, le RM est beaucoup moins cher, car il ne nécessite pas
d'outillage. Le RM est également idéal pour la production de pièces sur mesure adaptées aux
spécifications exactes de l'utilisateur.
L'autre grande utilisation du RM est pour des produits qui ne peuvent pas être produit par des
techniques soustractives (usinage, meulage) ou de compression (forge, etc). Cela inclut les objets
avec des caractéristiques complexes, des vides internes, et les structures en couches.
45
Exemples industriels
Grace au RM, on peut produire des filtres ayant une capacité de filtrage beaucoup plus importante
qu’auparavant grâce aux structure en 3 dimensions qu’il est possible de réalisé.
Le prototypage rapide dans le futur
Le prototypage rapide est en train de changer la façon dont les entreprises ont de concevoir et
produire. Mais il reste encore des développements à faire pour révolutionner l’industrie.
Une des améliorations est la vitesse. On dit « prototypage rapide » mais le procédé en lui-même est
fort lent. En développant les systèmes de contrôle et les matériaux, on pourrait augmenter
considérablement la vitesse de fabrication.
L'introduction à grande échelle de matériaux non-polymères, comme les métaux, les céramiques et
les composites, représenterait une avancée énorme. Cela permettrait aux utilisateurs du RP de
produire des pièces fonctionnelles.
L’évolution des techniques et leur combinaison permettent aujourd’hui de couvrir un large éventail des
besoins industriels, de la phase de développement à la production.
On parlera de plus en plus du rapid tooling et du rapid manifacturing dans le futur.
Enfin, la montée du prototypage rapide a stimulé le développement des méthodes traditionnelles
dites soustractives. Pour certaines applications, en particulier les métaux, l’usinage continuera d'être
un procédé de fabrication utiles. Le prototypage rapide ne rendra pas l’usinage obsolète, mais le
complétera.
Pour conclure, le prototypage rapide est une technologie d’avenir, qui permet de réduire les coûts de
production, et de gagner du temps (Time to Market).
46
5. Découpe Plasma
Définition du PLASMA
Le plasma est considéré comme le quatrième état de la matière. Nous connaissons principalement
les trois états de la matière que l’on rencontre le plus souvent sur terre. C’est à dire solide, liquide et
gazeux, mais le quatrième état de la matière appelé PLASMA est souvent moins bien connu alors
que 99% de la matière présente dans l’univers est sous cette forme. Il est à noter que
comparativement aux trois états précédents, il n’existe pas de transition de phase pour passer d’un
état à l’état de plasma.
Le quatrième état de la matière fait référence à une niveau d’énergie, en effet si nous prenons
l’exemple de l’eau : son premier état est celui sous forme de glace, si nous lui apportons de
l’énergie thermique la glace va fondre et nous donner de l’eau qui est le second état de la matière. Si
nous apportons d’avantage d’énergie thermique à cette eau elle va se vaporiser et devenir un gaz,
correspondant au troisième état de la matière. Et pour finir si l’on augmente encore
considérablement l’énergie de ce gaz, il va s’ioniser et devenir un PLASMA, le quatrième état de la
matière.
L’état plasma est présent quand l’élément par exemple un gaz a atteint un niveau d’énergie assez
élevé pour que des électrons soient arrachés aux atomes. Nous avons donc un nuage d’électrons
dans lequel se trouvent des ions, voir simplement des noyaux d’atomes si l’énergie apportée est
suffisante pour ioniser totalement la matière.
Si nous prenons un gaz pur et que nous le soumettons à un faible champ électrique, celui-ci peut
être considéré comme un isolant pur. Il ne contient aucune particule pouvant faire circuler un
47
courant. Néanmoins, si on soumet se gaz à un champs électrique de très forte intensité, celui-ci va
s’ioniser comme vu précédemment et former un plasma conducteur grâce aux électrons libres.
Amorçage et principe de la découpe plasma
-
Étape numéro 1 :
Au moment où l’opérateur enclenche la torche, l’arrivée de gaz s’ouvre et une tension est appliquée
entre l’électrode (anode -) et la buse de la torche (cathode +) (le gaz n’est pas encore un plasma et
aucun courant ne circule).
48
-
Étape numéro 2 :
Une fois le débit de gaz réglé, le circuit haute fréquence est activé ce qui forme un arc électrique
entre l’électrode (-) et la buse (+) de la torche.
Le gaz en passant au travers de cet arc capte son énergie et s’ionise, il devient donc conducteur. Le
gaz fourni une trajectoire de courant entre l’électrode et la buse, ce qui crée un arc plasma.
-
Étape numéro 3 :
Le flux de gaz pousse l’arc plasma hors de la buse (+), celui-ci va basculer de la buse à la pièce (+)
car le courant est restreint par une résistance au niveau de la connexion de la buse (voir schéma cidessus). L’ionisation du gaz est maintenue avec l’énergie de l’arc électrique principal. Le plasma
permet donc d’usiner tous les matériaux conducteurs d’électricité.
49
-
Étape numéro 4 :
La tuyère (qui doit être fortement refroidie) a également comme action de concentrer la veine de
plasma et d’en former un jet plasma à haute vitesse et niveau d’énergie élevé. La chaleur de cet arc
(entre 15000°C et 20000°C) fait fondre le métal et le gaz à haute vitesse éjecte le métal fondu hors
de la saignée par son énergie cinétique. Il ne reste à l’opérateur qu’à déplacer la torche pour débuter
le processus de coupe.
Schéma de la buse de la torche de découpage :
Les torches plasma
Il existe deux grandes familles de torche plasma selon le type de gaz utilisé.
50
-
Torche à électrode pointue :
Elles sont équipée d’une électrode usinée en tungstène et sont destinée à des mélanges de types :
argon + hydrogène, azote + hydrogène, azote + argon + hydrogène ou parfois de l’azote comme gaz
plasmagène. Attention il est très important d’avoir un gaz inerte qui protège l’électrode de
l’oxydation vu les températures élevées qui sont atteinte.
-
Torche à électrode plate :
Elles sont équipées d’une électrode en cuivre ou alliage de cuivre à l’extrémité de laquelle est inséré
un petit élément cylindrique en métal très émissif (du zirconium) destiné à recevoir la racine de
l’arc plasma. Le gaz est généralement injecté tangentiellement dans la chambre plasmagène, cela
détermine un écoulement tourbillonnaire et forme ainsi un vortex. Le gaz est généralement de l’air.
51
Types de gaz utilisés
Le type de gaz joue une influence primordiale sur la qualité de coupe, ainsi il faudra choisir le gaz
en fonction du matériau à usiner ainsi que de l’épaisseur.
52
Vitesse de coupe, précision
-
Tableau des vitesses de coupe plasma en fonction des épaisseurs :
-
Précision de la découpe plasma :
53
Déformation thermique
Si l'on chauffe rapidement une tôle de 20 mm d'épaisseur par exemple, on obtient une zone rouge
sur la face supérieure de celle-ci alors que la face inférieure est beaucoup moins chaude. Le métal
porté au rouge est contraint par les lois physiques de se dilater mais, bridé par le métal
environnant plus froid donc bien moins plastique, il ne peut que se « gonfler » (légèrement bien
sûr). Au refroidissement, surtout si ce dernier est assez rapide, le « gonflement » ne peut pas se
résorber. Cela provoque des tensions internes déformant légèrement la tôle et provoquant un
« retrait ».
Figure 5
En découpe plasma, l’énergie de coupage est apportée directement sous forme électrique et
thermique combinées dans le jet plasma.
54
Cette découpe va donc nécessiter des précautions opératoires pour atténuer ou même éliminer les
effets de déformations, par libération des contraintes thermiques. Cependant, elles sont minimes
pour le coupage plasma car les opérations de découpe sont rapides (surtout pour des épaisseurs
inférieures à 20 mm)
Les précautions opératoires sont très variables et dépendent étroitement de la forme des pièces à
découper.
Pollution et sécurité
-
-
Il est nécessaire de bien ventiler le local dans lequel on utilise la machine de découpe
plasma. En effet, lors de l’usinage, une fine poussière métallique (matière éjectée par le jet
de plasma) se retrouve dans l’atmosphère environnante ainsi que le gaz utilisé pour
l’usinage, ceux-ci peuvent donc être nocifs pour la santé.
La découpe plasma nécessite aussi des protections auditives ainsi que visuelles, la machine
de découpe est assez bruyante et l’arc plasma émet un rayonnement pouvant altérer la
vue, il est donc nécessaire de se protéger.
55
6. Usinage chimique.
Introduction.
L’usinage chimique est un procédé qui permet d’usiner des pièces métalliques par voie chimique,
soit par attaque chimique soit par dissolution chimique à l’aide d’un agent adéquat. Les deux
principales formes du développement actuel de l’usinage chimique sont :
1. la découpe chimique, enlevant localement le métal sur toute l’épaisseur de la pièce.
2. le fraisage chimique qui permet de créer des creux dans des surfaces.
La découpe chimique (ou gravure chimique).
La découpe chimique permet la réalisation de pièces planes métalliques minces, par dissolution du
métal par un agent d’attaque adéquat, acide ou basique. Ce procédé se fait en deux phases : la
première est la préparation de la pièce ou réalisation de l’épargne, la seconde phase étant la gravure.
La mise en œuvre.
La réalisation de l’épargne se fait en suivant les étapes suivantes :
1.
Dessin et masque.
Le dessin de base de la pièce à découper, appelé master
encore typon, est réalisé sur une couche inactinique (qui
produit pas de réaction chimique) à l’aide d’un cutter
pour des réalisations simples et demandant peu de
précision ou à l’aide d’une table de traçage pour des
pièces en grande séries et dont la précision est importante
(jusqu’à 1 µm).
Le master est ensuite reproduit une ou plusieurs fois sur
film positif (pièce en noir) ou négatif (pièce transparente)
on en tire deux copies, une pour chaque face. Ce film
porte le nom de masque.
2.
ou
ne
Exemple de typon pour un circuit
imprimé.
un
et
Dépôt d’une couche photosensible.
Avant de déposer un produit photosensible,
le photoresist, sur toute la surface du métal,
il faut assurer une bonne adhérence qui
dépend de l’état de surface des métaux à
graver. En effet, les plaques doivent être
parfaitement planes, sans rayures profondes
56
ni traces d’oxydation. Leurs dimensions doivent laisser une marge périphérique de 1 cm autour des
masques. Il existe deux catégories de produits photosensibles :
- Les produits photosensibles négatifs qui polymérisent lorsqu’ils sont soumis à une lumière
intense riche en ultraviolets et qui nécessitent l’utilisation d’un masque négatif.
- Les produits photosensibles positifs sont détruits par la lumière ultraviolette et pour
lesquels il faut des masques positifs.
Aussi, deux formes de photorésist sont employées :
- Les laques liquides appliquées au trempé ou au pistolet (épaisseur de la couche de 5 à 10
μm). Lorsqu’une épaisseur d’épargne plus faible est nécessaire, la technique de la tournette est
utilisée (une machine rotative pour une répartition optimale du liquide).
- Les films secs : La résine photosensible se présente dans ce cas sous forme d’un film
(épaisseur entre 12 et 75 μm) appliqué à chaud sur la plaque.
Les films secs ont une résistance supérieure aux laques mais une précision inférieure.
3.
Insolation.
La pièce est placée dans un caisson sous vide
pour permettre un contact intime entre le
masque et la pièce et elle est soumise à une
source
lumineuse
ultraviolette
(lampe
halogène, à vapeur de mercure ou tube
fluorescent). Plus la source lumineuse est
ponctuelle et puissante, plus faible sera le
temps d’insolation et meilleure sera la
définition. Actuellement, les temps sont de
l’ordre de 15 à 30 s avec des films secs et de 2
min avec les laques liquides.
4.
à 3
Développement.
Le développement a pour but
d’éliminer la partie de solvant non
polymérisée. Les conditions de
développement sont très strictes car
temps
trop
long
risque
d’endommager
le
photoresist
polymérisé tandis qu’un temps trop
court laisse un voile de photoresist
difficilement décelable. Les pièces
sont ensuite rincées et séchées.
un
La gravure.
La gravure permettra la dissolution des parties
métal non protégées par l’épargne. Un agent
d’attaque est appliqué par projection sur la pièce
par immersion. Le choix de cet agent chimique
important, il dépend du métal à découper mais
de l’état de surface désiré.
du
ou
est
aussi
57
Le chlorure ferrique « FeCl3 » est utilisé dans 80 % des cas car c’est une solution peu onéreuse et
qui permet des vitesses d’attaques de 25 à 50
μm/min suivant la matière.
Il faut noter que La vitesse d’attaque est
constante pour un matériau donné, à
température donnée et concentration d’agent
d’attaque donnée. Afin de garder une bonne
vitesse d’usinage, Il est donc nécessaire que
les bains utilisés soient régulés en
température et en concentration, soit par un
changement régulier du bain soit par un
renouvellement continu du bain.
Cependant, l’attaque du métal n’est pas
parfaitement perpendiculaire à la surface, le
long de l’épargne, ce phénomène est appelé
la sous-gravure. En fonction de l’agent
d’attaque, de la nature du métal et des
conditions d’utilisation, sa largeur varie d’un
quart à une fois l’épaisseur que le métal
protégé par l’épargne. Ce rapport est appelé
facteur d’attaque. Il est donc indispensable
de tenir compte de ce phénomène pour
réaliser le masque de découpe chimique.
À la fin de la gravure, l’épargne est détruite
à l’aide d’un solvant adéquat et il est important par la suite de rincer soigneusement les pièces afin
d’éviter une oxydation ultérieure. C’est le stripage.
Avantages et inconvénients.
Les avantages :
- Un découpage sans bavures, sans déformation, ni contrainte des pièces de grande précision
jusqu'à des épaisseurs de 2 millimètres.
- Un découpage possible sur la quasi-totalité des métaux (Laitons, bronze et bronzes spéciaux,
cuivre, béryllium, aluminium, aciers communs, spéciaux et inox).
- La réalisation de pièces de formes complexes.
- Aucune influence sur les caractéristiques de la matière.
- Le faible coût de l'outillage qui permet de réaliser des prototypes à un coût compétitif.
- la réalisation de pièces en quelques heures à partir d’un dessin coté.
Les inconvénients :
- La précision de la découpe diminue quand l’épaisseur augmente et il est impossible de faire
des trous de diamètre inférieur à 0,7 fois l’épaisseur.
Applications.
58
Pièces mécaniques: ressorts de flexion plans, entretoises, cales d’épaisseur, rondelles, engrenages,
grilles diverses, tamis, clips, freins d’écrous.
Pièces électriques : contacts plans, pièces de relais, pièces d’interrupteurs, pièces de liaisons
électriques (bus, barres), rotors et stators de moteurs, tôles magnétiques.
Pièces électroniques: contacts multiples miniatures, sorties de circuits intégrés, répartiteurs
d’hyperfréquence, capots de blindage, roues codeuses, têtes de lecture magnétique, cellules de
mesure, masques pour microcircuit, écrans métalliques de sérigraphie.
Optique : réticules de système optique, cadrans, diaphragmes, pièces d’obturateurs.
Pièces diverses: bijouterie fantaisie, orfèvrerie, pièces métalliques de marqueterie, décors pour
maquettes d’architecture, pièces pour maquettes ferroviaires, automobiles, pièces d’avions et
bateaux miniatures, logos publicitaires, etc.
59
Le Fraisage chimique
Le principe du fraisage chimique est le même que celui de la découpe chimique. Il existe trois
modes de fraisage :
- Intégral : enlèvement uniforme de matière sur l’ensemble de la pièce.
- Dégressif : variation progressive de l’épaisseur usinée.
- Partiel : diminution locale d’épaisseur.
Usinage intégral :
Il permet d’obtenir une réduction
uniforme de section sur la totalité de la
pièce. Mais, son inconvénient principal est
que ce procédé s’accompagne d’un
dégagement gazeux ce qui peut empêcher
une attaque uniforme du métal, il faut
donc régulièrement retourner la pièce dans
le bain.
Ce type de fraisage est utilisé pour supprimer les contraintes superficielles et les déformations
induites par un usinage mécanique antérieur ou pour enlever une couche de métal difficile à
éliminer par un autre procédé.
Usinage dégressif :
Ce type de fraisage est basé sur la
proportionnalité entre le temps de
d’immersion et l’épaisseur attaquée.
Ainsi, la variation progressive de
l’épaisseur
usinée
s’obtient
par
immersion lente et régulière (ou par un
cycle d’immersions-émersions alternées)
la pièce dans le bain.
de
Usinage partiel :
L’usinage partiel est un usinage de certaines parties de la pièce. Les zones qui ne doivent pas être attaquées
sont préservées grâce à un masque. Cet usinage se fait suivant les étapes suivantes :
1. Préparation de surface du métal.
2. Masquage de toute la pièce.
3. Démasquage partiel des zones à usiner (au cutter).
4. Immersion dans la solution d’attaque pour l’usinage.
5. Rinçage.
6. Neutralisation éventuelle.
7. Séchage.
8. Démasquage final.
Bain d’usinage :
L’attaque devant être parfaitement contrôlée, le bain doit répondre aux exigences suivantes :
- la vitesse d’attaque doit être au moins égale à 1 mm/h.
- les caractéristiques géométriques du substrat après usinage (rugosité, planéité) doivent être
acceptables.
60
- la présence ou la formation d’éléments polluants doit être évitée.
Avantages et inconvénients.
Les avantages :
-
Usinage indépendant de la dureté.
Absence de bavures sur les pièces finies.
Absence des sollicitations mécaniques de la pièce.
Possibilité d’usinage simultané un grand nombre de pièces et ce, sur toutes leurs surfaces.
Les inconvénients :
-
Découpe non totalement perpendiculaire à la surface (précision).
Mauvais rendu des angles et des soudures.
Contrôle de la vitesse d’attaque difficile.
Reproduction des défauts géométriques de la surface initiale.
Problème environnemental dû à la présence d’acide dans le bain.
Applications.
L’usinage chimique est utilisé principalement pour les matériaux métalliques et les verres.
Le fraisage chimique est parfaitement adapté aux alliages d’aluminium, de titane, de magnésium et aux
aciers inoxydables.
Les principales applications sont :
- La mise à épaisseur
- L’écroûtage : procédé a pour effet d’éliminer, en totalité ou en partie, la croute de laminage
(couche d’oxyde de fer) et les défauts de surface.
- Le gain en poids
61
7. Les superfinitions
Définition
•
•
La superfinition est une action d’usinage qui consiste à obtenir des pièces de très
haute qualité grâce à des procédés qui ont des capacités supérieures à celles de
la rectification.
La rectification a pour but d’approcher une surface d’une forme parfaite (plane,
cylindrique, conique, etc.). Cette opération s’effectue sur une machine-outil appelée
rectifieuse sur laquelle est disposée une meule. Les surfaces rectifiées sont
souvent destinées à être « frottantes » (ex : arbre dans un palier lisse).
Caractères traités par la technique
•
•
•
Forme de la surface obtenue après usinage : Le fraisage et le tournage laissent
sur la surface un certain nombre de raies ou de stries qui ne seront que
partiellement masquées par le rodage et qui peuvent être néfastes au bon
fonctionnement de certains systèmes mécaniques (ex : chemise de cylindre).
Structure superficielle du métal usiné : l’usinage à outil engendre de fortes
élévations de température qui peuvent atteindre 1000°C et qui vont provoquer la
fusion de morceaux de copeaux qui vont se « ressouder » à la surface usinée.
Agglutination de corps étrangers : une structure fragile et peu homogène
constituée de limailles, de lubrifiant et de saletés se forme à la surface du matériau
usiné. Cette couche est appelée « couche de Beilby ».
La superfinition a pour but d’éliminer ces 3 caractères.
Différence entre superfinition et rectification
La différence majeure entre la superfinition et la rectification réside dans le
mouvement de coupe de l'abrasif. L'action très rapide de la meule pour la rectification est
remplacée par celle d'une pierre abrasive à mouvement rectiligne alternatif. Ce
mouvement de vibration a une fréquence d'environ 25 coups par seconde et une
amplitude de 1 à 5 mm. L'abrasif travaille à faible vitesse (10 à 20 m/min, contre 3000
m/min en polissage).
Principe de la technique
La superfinition permet d’obtenir les états de surface les plus fins avec une
structure optimisant les précisions dimensionnelle et géométrique. Pour ce faire, les outils
utilisés sont constitués de grains et de liants aux duretés adaptées à l’application. Lors du
62
processus, l’outil effectue des mouvements de vas et viens rectilignes par rapport à la
surface avec une pression d’appui réglable en continu. Du fait de la surface de contact
importante entre l'outil de superfinition et la pièce, les défauts de forme tels qu'ondulation,
stries dues a la spirale d'avance, faux rond et traces de broutage sont éliminés. Les
mouvements rapides (mais relativement lents par rapport à la rectification) et de faibles
amplitudes des grains abrasifs provoquent la formation de copeaux microscopiques. Cela
permet d'obtenir en très peu de temps une très haute qualité de surface.
Influence thermique
L'opération de superfinition n'introduit pas d'échauffement notable dans le
processus. La couche extérieure, aussi appelée « couche de Beilby » (voir avant), est
complètement enlevée et il ne reste alors que le matériau de base. Par ailleurs, la faible
augmentation de température lors de l’opération diminue fortement le risque de formation
de fissures et de pitting par suite de variations de structure sous une charge roulante.
Caractéristiques superficielles des surfaces
La superfinition permet d’obtenir des caractéristiques superficielles exactement
adaptées à la charge appliquée sur la surface fonctionnelle. De plus, et contrairement à la
rectification, la superfinition maintient ces caractéristiques constantes sur toute la surface.
Ainsi, l’homogénéité obtenue augmente la surface de contact et limite les contacts
ponctuels ce qui élimine l’effet de rodage. Cette caractéristique est très favorable dans le
cas des paliers lisses où le jeu n’augmente que très légèrement avec le temps.
Amélioration de la lubrification
Le mode d'usinage à traits croisés obtenu en superfinition conduit a une bonne
répartition du film d'huile. Un usinage en deux passes permet en outre d'obtenir une
structure superficielle présentant une fine surface portante et des stries croisées formant
une réserve d'huile.
Coûts
La mise en œuvre de la superfinition permet en règle générale d'économiser la
rectification et les coûts de machines largement plus importants. De nouvelles
technologies permettent d'effectuer sans aucune rectification un usinage de superfinition
sur des surfaces venant de tournage fin ou spécial.
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Avantages
Avantages
Temps d’usinage réduits
Moins de frottement entre les
surfaces fonctionnelles
Moins d’usure
Outillage peu couteux
Peu énergivore
Niveau sonore réduit
Sécurité d’utilisation
Grande flexibilité
Les différents procédés
Le polissage à la bande d’émeri
Le polissage optimise les surfaces, raccourcit les temps d’usinage et garantit une
finition économique des surfaces pré-usinées. Ce procédé permet à l’utilisateur d’obtenir
des qualités de surface élevées et reproductibles sur des pièces à symétrie de révolution,
pour presque tous les matériaux. Il permet d’améliorer la structure de la surface dans la
plage de quelques micromètres jusqu’à un Ra de 0,004μm. L’utilisateur peut obtenir la
qualité et le polissage de surface souhaités, étant donné que cette méthode n’enlève que
les pointes de rugosité. La forme de la pièce à usiner n’est donc pas modifiée. Ce procédé
ne permet pas d’éliminer les surépaisseurs telles que les surépaisseurs de rectification.
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Fonctionnement
L’usinage des surfaces est réalisé au moyen de bandes abrasives de superfinition.
Celles-ci mesurent entre 15 et 50 m de long et sont disponibles en grainures de 0,1 a
100μm. Un moteur à plusieurs vitesses déroule la bande abrasive. L’avancement est
réglable en continu. Elle passe au-dessus d’un galet presseur en élastomère qui se
déplace en vibrant sur la surface de la pièce à usiner, le long de l’axe de cette dernière.
L’alimentation en continu en produit abrasif neuf permet d’obtenir une finition de surface
homogène et sans écharde, sur l’ensemble de la surface. Un bon réglage de la fréquence
d’oscillation, un avancement correct de l’appareil de superfinition et une vitesse de rotation
adéquate de la pièce à usiner sont indispensables pour obtenir la qualité de surface
souhaitée. Le polissage est effectué à l’aide d’eau ou par l’ajout d’une émulsion de
rinçage.
Le galetage de surfaces
Le galetage est un procédé de finition qui consiste à écraser la matière sous la
pression de galets traités de dureté supérieure. Il améliore la résistance à la corrosion et
élimine les traces et imperfections mineures. Il existe plusieurs types de galetage : de
renforcement, dimensionnel ou de forme, de surface, etc.
Dans tous les cas, le galetage améliore l'état de surface. Il est possible d'atteindre un
niveau de superfinition (sans modification de forme) à l'aide d'outils dont la surface est
polie ou glacée. Cette opération peut être réalisée sur des surfaces cylindriques, sur des
sphères ou sur des filets pour améliorer les flancs (vis sans fin).
Caractéristiques
Rugosité Ra=0,02
Tous diamètres de 1 a 60mm
Toutes longueurs jusqu'a 3m
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•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
aciers de constructions
aciers alliés
aciers spéciaux
inox
acier réfractaire
titane
laiton
cuivre
alliages légers
molybdène
Avantages
Avantages
Une meilleure résistance à la
corrosion
Opération à froid
Élimination
de
traces
imperfections mineures
et
Améliore la dureté de la surface
de 5 à 10%
Améliore l'état de surface de
0,05 a 0,1 Ra
Le honage
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Le honage consiste à apporter une haute finition à la pièce à l’aide de pierres
abrasives. L’outil est un ensemble de pierres longues montées sur un cylindre. Ces pierres
sont généralement montées sur caoutchouc, car l’outil n’est pas censé définir la cote de la
pièce mais seulement améliorer sa cylindricité et son état de surface. Pour que l’outil
s’aligne automatiquement dans l’alésage, il est articulé sur son arbre. Volontairement, on
tend à obtenir non pas une rugosité a traits circulaires comme avec le tournage et la
rectification, mais une rugosité à traits croises. C’est pourquoi l’outil est anime non
seulement d’un mouvement de rotation, mais encore d’un mouvement de va-et-vient selon
l’axe. Le honage se fait toujours en présence d’un fluide de coupe.
Le rodage
Principe du procédé
Le rodage est une ancienne technique d'enlèvement de matière pour atteindre des
tolérances de planéité. La pièce à roder est placée sur un plateau en rotation, sur lequel
se trouve un film abrasif. Les abrasifs libres permettent le rodage par enlèvement de
matière. Par conséquent, il y a moins de tension sur la matière et le risque de déformation
est moindre. Les systèmes de rodage sont prévus pour les pièces usinées qui doivent
présenter des surfaces extrêmement planes et parallèles ou des tolérances d'épaisseur
rigoureuses ou des rugosités très basses.
Rodage plan
Le rodage plan est une opération mécanique qui a pour but l'amélioration de la
planéité et de l'état de surface d’une pièce par un enlèvement de matière, après toute
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opération d’usinage : fraisage, tournage, rectification, électroérosion. Le rodage plan se
caractérise par l’utilisation d’un abrasif sur un support. On distingue 3 degrés de qualité
d’état de surface, en fonction des rugosités souhaitées :
Domaines d’application
Avantages
Avantages
Temps d'usinage courts
Peu de frottement
Peu d'usure
Faibles coûts d'outils
Faibles coûts d'investissement
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Faibles dépenses d'énergie
Niveau sonore réduit
Sûreté d'utilisation
Grande flexibilité
Conclusions
1) La limite de la superfinition est, pour le bon fonctionnement du mécanisme, de
laisser assez de micro-espaces pour assurer une bonne lubrification. Une surface
trop « idéale » ,comme dans le cas des calles étalons, empêcherait le film d’huile
d’agir entrainant échauffement et grippage.
2) La figure ci-dessous permet de se faire une idée des états de surface obtenus par
divers procédés d’usinage. Elle représente chaque fois le profil des rugosités a
gauche et son aspect vu par-dessus a droite. On notera que les trois premiers
procédés, tournage, fraisage et rectification, donnent lieu a une rugosité dont les
stries ont une orientation précise, tandis que les autres non. Dans le vas du
polissage, il n’y a plus de stries visible.
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