Usinage abrasif par ultrasons - defison.eu · L’usinage par ultrasons est un procédé de reproduction de forme par ... Contrôle descente 2. Les composants de la machine. 5 UltraSonic

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UltraSonic Machining (USM)

(Non traditional machining process)

Jean-Jacques Boy

Usinage abrasif par ultrasons

1. Principe de l’usinage ultrasonore 2. Les composants de la machine3. Facteurs influant sur USM4. Quelques exemples et performances ultimes5. Conclusion

[email protected] www.femto-st.fr

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UltraSonic Machining

L’usinage par ultrasons est un procédé de reproduction de forme parabrasion particulièrement adapté à l’usinage des matériaux durs,fragiles et cassants (verres, céramiques, quartz, pierre précieuse,semi-conducteur…).

Il s’appuie sur trois phénomènes physiques pour enlever la matière :le cisaillement, l’érosion, l’abrasion.Ainsi cette méthode consiste à projeter des particules abrasives trèsdures sur la pièce à usiner, à l’aide d’une sonotrode, vibrant àfréquence ultrasonore.

Particules abrasives+

Liquide porteurEvacuation des

« copeaux »

1. Principe de l’USM

Les particules sont amenées dans la zone de travail par un fluide porteur (par ex.l’eau). Un flot constant assure l’évacuation des copeaux et le renouvellement desgrains abrasifs.On a donc ainsi trois phénomènesOn a donc ainsi trois phénomènes : • Une action mécanique due au martèlement des particules • Une érosion de cavitation due aux variations de pression au sein du liquide, • Une action chimique due au fluide porteur.

gap

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DURS et

CASSANTS FRAGILES COMPOSITES

MATERIAUX USINABLES

NON CONDUCTEURS

• Carbures métalliques• Ferrite• Céramiques• Matériaux frités• QUARTZ – SAPHIR …

• Verres• Graphites

Silicium

• Céramiques

NB : ne sont pas concernés les matériaux cuivreux. La structure de la matièresur laquelle les grains d’abrasif rebondissent en chocs élastiques entraînent uneusure non négligeable de l’outil.

•

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Sonotrode

Transducteurspiézoélectriques

Tables à µdéplacements :

RotationXY

Pompepéristaltique

Contrôle descente

2. Les composants de la machine

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Vis de précontrainte

Disque piézoélectrique

Electrode excitatrice

Amplificateurbicylindrique

Goujon de serrage

Sonotrode

Fixation au bâtiréalisée à l’aide de 3goupilles placées à120°

La machine à usinage par ultrasons estconstituée d’une partie électrique, le

générateur et d’un ensemble acoustique(transducteur, amplificateur et

sonotrode).

Générateur : 20 +/- 0.5 kHzTransducteur piézoélectriqueAmplificateur mécaniqueSonotrodeFixation au bâti

L’ensemble acoustique

Outils

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Conditions Conditions sursur les les déplacementsdéplacements

DimensionnementDimensionnement des des pipièècesces

Les contraintes doivent être minimales au niveau des liaisons pour : Un assemblage optimal Une durée de vie allongée

Le déplacement doit être maximum en bout de sonotrode.Par contre, il doit être nul au niveau de la fixation au bâti (sinon, risque de destruction)

La longueur de chaque élément doit être de λ/2, avec :

!"

E

f

1=

Conditions sur les contraintesConditions sur les contraintes

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de forme cylindre ou plus complexe, elle sert à amener l’énergie acoustiquedans la zone de travail. La sonotrode est fixée à l’amplificateur par vissage àl’aide de goujons. Ces fixations constituent un point faible du dispositif, ellesne permettent pas en effet de positionner avec précision, ce qui nécessiteensuite des opérations de réglages sur la machine. L’amplitude de l’embout

peut atteindre 150 microns.

La sonotrode

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Il existe 2 types de sonotrodes liés à 2 usinages différents :

* Technique de défonçage : pour reproduction de forme

(attention à l’usure)

* Usinage par génération : usinage local avec sonotrode de petite dimension,

puis déplacement latéral et succession de balayages.

Les aciers, alliages de titane, d’aluminiumou de nickel sont les matériaux préférés

pour les sonotrodes

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L’usure et le travail d’enlèvement de la matière dépendentde nombreux paramètres :

Vibration : fréquence et amplitude Pression statique Grain d’abrasif : dimension, nature, concentration au sein du liquide porteur Profondeur de pénétration Fluide porteur : nature, conditions de circulation Outil : nature du matériau, forme et dimensions Pièce : nature du matériau, forme à réaliser

C’est ainsi que les performances de ce type d’usinage sontdifficiles à analyser. Nous pouvons néanmoins les exprimerpar trois critères :

la quantité de matière enlevée et donc la vitesse d’usinage, l’usure relative de la sonotrode l’état de surface des flans et du fond de perçage (si non débouchant).

3. Facteurs influant sur USM

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Dureté et pouvoir de coupe de différents grains :

10,7

0,5 à 0,60,25 à 0,450,14 à 0,16

6500/ 7000- id -28002500

2000 à 2100

Diamant naturelDiamant synthétique

Carbure de boreCarbure de Silicium

Alumine

Pouvoir de coupepKnooDuretéABRASIF

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Influence de la pression statique

Usinage du verre : d’après Rozenberg et coll.

L’existence d’une pression optimalepeut s’expliquer par le mode d’actiondes particules.

Sous faible pression, l’action du martèlementne peut pas être efficace,car il se produit alors une contre pressionde l’outil qui l’éloigne de la pièce.

Sous forte pression, la fragmentation del’abrasif réduit l’enlèvement de matière.

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Profondeur et vitesse de pénétration

Quelque soit les précautions prises dans la circulation du fluide porteur des grains d’abrasif, lavitesse diminue au fur et à mesure de la pénétration. Il peut se former au fond de l’empreinte unmatelas de particules abrasives qui, lorsqu’il est suffisamment épais freine les grains d’abrasif qui n’ontplus l’énergie suffisante pour provoquer l’enlèvement de matière. Ainsi, pour creuser des trous dont laprofondeur excède 20 mm, nous pouvons remédier à cet inconvénient de trois manières :• Interventions fréquentes del’opérateur pour relever la sonotrode etnettoyer le fond de la cavité paraspiration à l’aide de la pompepéristaltique (opération programmable),

• Amenée d’abrasif par le centre de lasonotrode,

• Pour l’usinage de trous débouchants, ilest conseillé de pratiquer un« carottage », c’est-à-dire de travailleravec une sonotrode creuse avec laquellele volume de matière enlevée est bcpplus faible.


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4. Quelques exemples et performances ultimes

USM est utilisé à FEMTO-ST depuis plus de 30 ans,spécialement pour l’usinage du cristal de quartz

La recherche dans le domaine des MEMS a ouvertde nouvelles perspectives à ce type d’usinage.


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Résonateur à quartz à 10MHz (BVA)

Résonateurh = 560 µm

Pontfait par USM

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Capteur de pression

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Micro-pince pour des opérations de µmanipulations

Céramique piézoélectrique

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Accéléromètre 1 (quartz coupe AT)

Prototype développé au LCEP (ENSMM - 1985)

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Accéléromètre 2 (sur substrat quartz coupe Z)

USM peut-être une alternative à l’usinage chimique anisotrope (chemical etching)qui est un usinage collectif (sur wafers quartz jusqu’à 4’’ de diamètre).USM peut dans ce cas être considéré comme semi-collectif.

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Gyromètre « étoile » à quartz

• Gyroscopes : mesurent un angle θ / direction de référence

• Accéléromètres : mesurent l’accélération

Capteur inertiel : élément sensible aux forces d’inertie

• Gyromètres : mesurent la vitesse de rotation

Centrale inertielle = 3 Gyromètres + 3 Accéléromètres

=> Position d ’un objet dans l’espace terrestre

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280 µm diameter and 600 µm depth

Autres réalisations

Transducteur pour imagerie médicale

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40µm

150µm

1mm

140µm

Autres réalisations (2)


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Krell Engineering : spool horns

The following example shows a 20 kHz 5" diameter horn. The axial resonance is the desiredresonance. The horn is one half-wavelength long at axial resonance, as indicated by the singlenode that is generally transverse to the principal direction of vibration.Gain: about 1:1

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Diamètres allant jusqu’à +100mm


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Performances ultimes

MEMSMicrofluidiqueCombinaison avec d’autres technologies

…définiront les conditions d’utilisationde cet usinage


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5. Conclusion

Encore peu répandu dans l’industrie. Utilisation restreinte à quelques secteurs :- Perçage ou usinage de substrats en céramique pour l’électronique- Usinage et découpage d’éléments en verre, quartz, silice capteurs pour larecherche spatiale- Perçage de pierres précieuses pour l’horlogerieFaible performance en vitesse d’usinageUsure de la sonotrodePermet pourtant l’usinage de formes quelconques, NON débouchantes et sanséchauffement de la matièreUtile pour capotage de MEMS, perçage oblique des « vias »Utile pour la microfluidiqueCombinable avec d’autres techniques de la microélectronique


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« Production » scientifique :


• S. Ballandras et al. : « New results on miniaturised annular arrays built using ultrasoundmicromachining » - Proc. of the IEEE ultrasonics Symposium, Lake Tahoe, pp. 1159 – 1162, 1999.• E. Andrey, J.J. Boy, V. Petrini, C. Khan-Malek: “Developments in micro-ultrasonic machining (Micro-USM)” - Proc. 4th euspen Inter. Conference (June 2004), pp. 345, 348.• E. Andrey, J.J. Boy, C. Khan Malek: “Tool wear for micro-ultrasonic machining (Micro-USM)” - Proc.5th euspen Inter. Conference (May 2005), pp. 191, 192.• C. Khan Malek, L. Robert, J.J. Boy, P. Blind: "Deep microstructuring in glass for microfluidicapplications” - 7th HARMST (High Aspect Ratio Microstructure Technology) Biennal Workshop.Gyeongju, Corée, 10-13 juin, 2005• J.J. Boy, M. Aiguillé, A. Boulouize, C. Khan-Malek: “Developments in Micro Ultrasonic Machining(MUSM)” – 4M 2006• J.J. Boy, E. Andrey, M. Aiguillé, A. Boulouize, C. Khan-Malek: “Developments in Micro UltrasonicMachining (MUSM): modelling of the complete acoustic system (transducer and sonotrode)” -Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers (Part B) - Journal of Engineering Manufacture

AutreAutre exempleexemple de publication: de publication:*R Singh, J. S. Khamba: “Mathematical Modeling of Tool Wear Rate in Ultrasonic Machining ofTitanium”…In the present study, outcome of Taguchi model has been used for developing a mathematical model for

tool wear rate; using Buckingham’s π-theorem for stationary ultrasonic machining of titanium and itsalloys…

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