Nouveaux matériaux et nouveaux process dans les microtechniques

Animation phare à chaque édition du salon Micronora, le ZOOM est une véritable mini-exposition qui met en avant des évolutions technologiques susceptibles d’influencer l’industrie microtechnique. Confrontées à des défis importants, qu’il s’agisse de la transition écologique ou de la crise énergétique voire de celle des matières premières, les entreprises spécialisées trouveront, cette année encore, une foule de solutions dans cet espace dédié à l’innovation. Consacré aux nouveaux matériaux et procédés de production, le ZOOM 2022 démontrera, grâce à des panneaux didactiques, des vidéos, des équipements, des pièces et surtout des démonstrations en live, leur rôle essentiel dans la réussite d’un processus de conception et de fabrication d’un produit nouveau.

Les nouveaux matériaux

Le développement de nouveaux matériaux correspond aux objectifs de nombreuses applications de pointe grâce à leurs propriétés avantageuses. Mais le thème est très vaste car chaque famille de matières premières peut donner lieu à la création de nouveaux alliages aux caractéristiques spécifiques et performantes. Un choix était donc nécessaire et le ZOOM 2022 ne sera consacré qu’à l’évolution des matériaux durs métalliques et de certains alliages ainsi qu’à certains procédés de production qui intéressent prioritairement les entreprises microtechniques. Les pièces qui seront présentées mettront principalement en avant les applications dans l’horlogerie, le médical et dans l’industrie de la précision.

1/ Les alliages métalliques amorphes

Connus depuis plusieurs dizaines d’années, les alliages métalliques amorphes (AMA) sont dotés d’une structure désordonnée plutôt que cristalline. Appelés aussi verres métalliques, ils sont obtenus par un refroidissement très rapide depuis l’état fondu. La combinaison d’un état métallique et d’une structure amorphe assure une association unique de propriétés mécaniques, électriques et magnétiques. Des atouts intéressants pour des applications à haute valeur ajoutée : boîtiers extra-fins de téléphone cellulaire, scalpels, boîtiers de montres, faces de frappe de club de golf, raquettes de tennis, battes de baseball.
La société française Vulkam a réussi l’industrialisation de ces matériaux hors normes. Baptisés Vulkalloys, ses alliages amorphes sont adaptés à de nouvelles applications en micromécanique en permettant la production de pièces miniatures aux propriétés sans équivalent. Depuis sa création en 2017, la start-up grenobloise propose une gamme de huit alliages à base de Nickel, Niobium, Zirconium ou de Cuivre. Les Vulkalloys sont particulièrement adaptés à la fabrication des composants centimétriques ou millimétriques pour l’horlogerie, le médical, la micro-mécanique générale, l’aéronautique et pour bien d’autres domaines encore. Chaque formulation dépend des propriétés visées (résistance mécanique, au frottement, à l’usure ou à la rayure, tenue à la fatigue, flexibilité, amagnétisme, résistance à la corrosion, biocompatibilité, etc.). Les instruments de microchirurgie ou dentaires créés avec les Vulkalloys répondent aux défis des fabricants de dispositifs médicaux : amélioration de l’ergonomie et des performances des instruments, grande précision du geste chirurgical, invasivité faible, grande durabilité des instruments. De plus, ces alliages sont deux fois plus résistants que l’alliage médical de référence (TA6V), ce qui permet la réalisation de pièces jusqu’à deux fois plus petites. Le procédé de thermomoulage Silicium mis au point par Vulkam permet la réalisation en série de pièces millimétriques à micrométriques d’une très grande précision.

Avec la possibilité d’ajouter des zones fonctionnelles sur les instruments de microchirurgie, sans surcoût. Le procédé permet la fabrication de préformes au plus proche de la géométrie finale pouvant ensuite être usinées (découpe laser ou électroérosion) et/ou optimisées. Sur le ZOOM, Vulkam présentera des pièces qui illustrent ces technologies et des démonstrations comparatives des propriétés des Vulkalloys avec un test d’un banc d’essais (de flexion 3 points) comparatif Vulkalloys / Acier Inox / Titane et un démonstrateur de rebond de billes en Vulkalloys / billes acier.

2/ Les Cermet

Spécialisée dans la métallurgie des poudres, la société Sintermat propose un procédé original : le frittage Flash ou frittage SPS (Spark Plasma Sintering). Les poudres sont agglomérées sous l’effet simultané d’une forte impulsion électrique et d’une charge uni axiale (de l’ordre de 200 mégapascals). Ce qui permet d’obtenir sans usinage, des pièces complexes de grande résistance et à haute densité telles que des dents, cannelures, profils, etc.

La densification de poudres et matériaux peut atteindre des vitesses généralement 10 à 100 fois plus élevées que celles des techniques de frittage traditionnelles. Le procédé assure la synthèse de matériaux massifs, innovants, originaux, à microstructures contrôlées, et ce, pour des coûts modérés. C’est l’une des seules technologies qui permette de produire des matériaux avec des microstructures sans grossissement des grains et avec un taux de densification voisin de 100 %. Sur le ZOOM, Sintermat exposera des pièces significatives réalisées notamment en Cermet, Zircone ou autres céramiques.

3/ Les céramiques

Certaines entreprises spécialisées dans la fabrication additive, proposent de nouvelles solutions céramiques. Les qualités de la céramique technique sont connues : grande résistance mécanique, stabilité dimensionnelle élevée, faible densité, très grande résistance à l’abrasion et à la corrosion, stabilité chimique exceptionnelle. Des performances recherchées dans des industries comme le biomédical, l’aérospatial, le luxe…. Des propriétés adaptées aux applications d’usinage qui nécessitent une haute qualité de surface, la stabilité dimensionnelle et des tolérances serrées comme les opérations de finition fine, la finition et l’ébauche de l’acier, du métal fritté et de la fonte ductile. Sur le ZOOM, le Groupe IMI, Nanoe (céramiques imprimées en 3D), et Femto-st exposeront des pièces intéressantes et une imprimante 3D.

4/ Les carbures

L’institut Femto-st dispose, grâce à la plateforme MIFHySTO, d’une expertise dans le domaine des procédés de micro fabrication mécanique et en particulier sur le micro usinage (micro-fraisage, décolletage, μEDM…). Le projet d’usinage des carbures et des céramiques s’inscrit dans le contexte de la réalisation de composants à très fortes valeurs ajoutées pour l’ensemble du secteur des microtechniques. Ces matériaux très durs sont utilisés pour la réalisation d’outillages à hautes cadences. Les matériaux céramiques sont employés pour leur dureté très élevée aussi bien dans l’outillage que dans des applications pour le luxe, la santé, l’énergie et les transports. Ce projet vise à développer les technologies d’usinage des matériaux carbures et céramiques par l’intermédiaire d’un procédé avancé : l’usinage par micro-usinage à l’outil coupant (micro fraisage). L’arrivée sur le marché d’outils permettant d’augmenter la productivité, de réaliser des composants de formes complexes et à surfaces fonctionnelles est une opportunité pour les acteurs industriels des microtechniques.

Le projet est ainsi décomposé selon les axes suivants :
– -Le développement du micro fraisage de matériaux très durs (carbures de tungstène et céramiques) par la définition d’une méthodologie spécifique à l’usinage de ce type de matériau (outils, lubrification, stratégies d’usinage) en s’appuyant sur les équipements de la plateforme MIFHySTO de l’institut Femto-st.
– -La métrologie des composants réalisés sur ce type de matériau et de leur intégrité.
Sur le ZOOM, la démarche complète réalisée par Femto-st sera présentée avec une vidéo associant la machine-outil utilisée et les outils ad-hoc ainsi qu’avec l’exposition de pièces réalisées.

5/ Les autres matériaux

D’autres matériaux durs seront présentés avec des applications particulières comme le diamant (Diamfab), le cristal (Cristal innov), l’impression 3D d’aimants (Magneto 3D avec l’Institut Jean Lamour)…

Les nouveaux procédés de production

De nombreux nouveaux process apparaissent actuellement ou se développent. Le critère de sélection reste, pour le ZOOM, leur intérêt ou leur potentiel pour l’univers des microtechniques. Il y en aura trois cette année, ils seront présentés via des démonstrateurs.

1/ L’usinage par ultrason

Cette technologie permet l’usinage des matériaux très durs comme les céramiques, verres, carbures de tungstène, silicium, et autres pierres précieuses par abrasion. Unique en son genre, l’outil monté sur une sonotrode permet l’usinage d’angles vifs et de poches rectangulaires sans aucun congé de raccordement. Les états de surface sont maîtrisés grâce à la granulométrie de l’abrasif utilisé. Une machine originale qui met en oeuvre ce procédé ultrasonore sera présentée aux ZOOM par la société Realmeca en partenariat avec la société Microcertec et l’Onera. Dimensions maximum des pièces à usiner : 100 x 100 x 100 mm.

2/ La micro-usine

Supmicrotech-ENSMM et la Haute École ARC (HE-ARC Ingénierie) s’allient, en partenariat avec Micronora, pour présenter un nouveau concept de micro-usine modulaire, connectée et autonome : le MicroLean Lab.

3/ -La fabrication additive par Metal Binder Jetting

Le Cetim est reconnu comme l’acteur de transfert national des technologies de fabrication additive (FA) métallique supporté par ses plateformes en régions aux équipements divers et renouvelés et de son expertise historique sur les domaines mécaniciens de la chaîne de valeur de la FA : simulation, conception, métallurgie, caractérisation (statique/dynamique), contrôles non destructifs, métrologie.

De la conception à la caractérisation de la pièce produite, ses experts travaillent sur 4 plateformes de FA partagées avec des industriels (AFH à Saclay, Cluses, Saint-Étienne, au Cetim Centre Val-de-Loire à Bourges). Les différents métiers impliqués découlant de problématiques mécaniciennes, le Cetim a en son sein toutes les compétences requises pour adresser les maillons de la chaîne de valeur de la fabrication additive métallique. Ce dispositif s’applique à la technologie MBJ (Metal Binder Jetting) dont l’imprimante et des pièces seront présentées sur le ZOOM.
Le MBJ présente de nombreux atouts pour devenir une technologie majeure dans les années à venir. Aujourd’hui, il propose une productivité significativement supérieure aux technologies par fusion (laser ou faisceaux d’électron). En outre, la qualité des pièces à l’issue du process nécessite moins de reprise que les technologies par fusion. Enfin, la productivité actuelle et potentielle à l’avenir est aussi bien meilleure grâce à la possibilité de couvrir l’ensemble du lit de poudre avec plusieurs têtes d’impression et une exploitation quasi-totale du volume de fabrication.

4/ Mini-centre d’usinage ultra-précis du groupe Pracartis

Résultat du programme de recherche Acrobot mené par Precise France (filiale du groupe Pracartis) et ses partenaires (Créneau industriel 74, ENSAM, Carbilly, Cetim, Stäubli, Siemens), cette petite machine baptisée Precibot réduit l’impact environnemental grâce à sa structure légère et rigide très innovante. « La conception compacte en aluminium et carbone de ce mini-centre d’usinage 3 à 5 axes explique son poids extrêmement faible : moins de 100 kg, pour des courses de 120 x 120 x 120 mm », explique Alain Auffret, directeur technique du groupe Pracartis.

« Cet équipement s’inscrit dans la recherche de nouvelles solutions pour l’horlogerie et la micromécanique qui s’inscrivent dans les concepts de l’usinage vert et de l’Industrie 4.0. Sa consommation d’énergie a été divisée par dix par rapport à un centre d’usinage standard. » La machine autorise l’usinage à sec ainsi qu’une très haute précision (3 µm) et élimine le groupe de refroidissement. Une rallonge de l’axe Y est possible pour des applications spécifiques. Dotée de trois moteurs linéaires à grande dynamique, la machine a une accélération de 1 g et des avances jusqu’à 40 m/min. « Sa taille permet le transport et sa fixation sur des grandes pièces, ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications », assure le spécialiste.
www.artsetmetiers.fr/fr
www.carbilly.com
www.cetim.fr
www.cristal-innov.com
www.diamfab.com
www.femto-st.fr
www.groupe-imi.fr
www.he-arc.ch
www.microcertec.com
www.nanoe.com
www.onera.fr
www.pracartis.fr
www.precise.fr
www.realmeca.com
www.siemens.com
www.staubli.com
www.supmicrotech.fr
https://ijl.univ-lorraine.fr
www.vulkam.com