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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
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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 :
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• 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…