Micro-usinage :techniques, opportunités et défis

Le micro-usinage est une activité importante et il est appelé à se développer dans les années à venir, car l'industrie exige des pièces plus petites et plus complexes. Mais que signifie réellement ce terme et en quoi est-il différent du « macro-usinage » effectué quotidiennement dans les ateliers d'usinage du monde entier ? Voici ce que vous devez savoir.

Que ce soit pour l'industrie médicale, l'électronique aérospatiale ou l'industrie automobile, le micro-usinage est une grosse affaire. Et il est sur le point de devenir beaucoup plus important, selon un rapport de novembre 2019 de la société de recherche The Insight Partners.

Avec une valeur projetée de 5,48 milliards de dollars d'ici 2027, le marché mondial du micro-usinage devrait atteindre près du double des niveaux de 2018 au cours des prochaines années, selon le rapport.

Comme la plupart des acteurs de l'industrie, Jake Rutherford, ingénieur en recherche et développement chez KYOCERA SGS Precision Tools Inc., définit le micro-usinage comme toute pièce ou caractéristique de pièce nécessitant des outils de moins de 1/8 de pouce ou 3 millimètres de diamètre.
 

Ce n'est pas nouveau, explique-t-il. La première application du micro-usinage était l'horlogerie, mais comme la technologie a fourni des composants plus petits et plus précis au fil des ans, le terme couvre désormais un large éventail d'industries, de pièces et de matériaux. Cela comprend toutes sortes de capteurs, de pompes cardiaques et d'équipements de surveillance de la respiration, des composants pour les industries aérospatiale et automobile, des accessoires de microscope électronique, des dispositifs microfluidiques et même de nombreuses pièces de votre smartphone.

Les matériaux utilisés pour fabriquer ces composants couvrent également une large gamme, avec des aciers inoxydables et des alliages haute température assez courants, ainsi que des polymères tels que le PEEK, le PTFE et le POM.

"Il existe de nombreux chevauchements de matériaux entre les industries, c'est pourquoi les ateliers doivent rechercher des outils de micro-usinage spécifiques au matériau plutôt que des outils conçus pour un marché ou une application spécifique", déclare Rutherford.

Règles empiriques du micro-usinage 

Cependant, quelle que soit la taille de la pièce, les principes généraux de l'usinage restent les mêmes. Ce qui est différent, c'est l'effet amplifié que toute variable d'application moins qu'optimale a sur le succès du micro-usinage.

« Tout devient plus critique », déclare Jacob Rak, ingénieur en applications chez KYOCERA SGS. « Prenons l'exemple du faux-rond. Nous recommandons un maximum de 0,1 % du diamètre de votre outil de coupe. Cependant, plus l'outil est petit, plus il est difficile d'y parvenir et plus l'effet sur la durée de vie de l'outil est important. »

Derek Nading est d'accord. Ingénieur d'applications pour M.A. Ford Mfg. Co. Inc., il propose une règle empirique pour les outils de plus de 1/8" de diamètre :pour chaque dixième de faux-rond, les machinistes peuvent s'attendre à voir une réduction de 10 % de la durée de vie de l'outil. "Lorsque vous avez affaire à des outils de coupe de taille micro, la perte de durée de vie de l'outil peut être encore plus importante. C'est pourquoi nous recommandons un système de frettage, hydraulique ou de précision de haute qualité pour la plupart des applications de fraisage et de perçage, mais surtout pour le micro-usinage."

Atteindre la bonne vitesse de surface est également essentiel. N'importe quel machiniste peut faire le calcul, mais l'utilisation d'une fraise de 1/32" à 300 sfm nécessite près de 40 000 tr/min, bien plus élevée que la plupart des centres d'usinage et que tous les tours sont capables d'atteindre. Dans ces situations, Nading et d'autres recommandent une tête speeder. Des versions électriques, pneumatiques et à liquide de refroidissement sont facilement disponibles, bien que Nading s'empresse de souligner que la première d'entre elles nécessite un câblage électrique, interdisant ainsi l'utilisation du changeur d'outils automatique de la machine.

Vitesse de broche élevée et alimentation en liquide de refroidissement propre

Pour les applications de micro-perçage alimentées par liquide de refroidissement, Nading note qu'un système de liquide de refroidissement haute pression (HPC) avec 500 à 1 000 PSI doit être utilisé pour s'adapter aux trous de liquide de refroidissement ultra-petits du foret. Il avertit qu'une bonne filtration est cruciale.

"De toute évidence, les trous de ces forets sont assez petits, de sorte que même le plus petit éclat ou contamination suffit à boucher les travaux, ce qui entraîne souvent une défaillance quasi instantanée de l'outil", dit-il. "C'est pourquoi j'aime voir des niveaux de filtration de 10 microns ou plus pour des performances optimales."

Plus encore que des vitesses de broche élevées et un liquide de refroidissement propre, Nading aime voir des machines-outils bien alignées et très précises conçues pour le microtravail. Il en va de même pour Rak de KYOCERA SGS :« Lorsque vous essayez de faire fonctionner une micro-perceuse ou une fraise en bout sur une machine trop grande, la résolution de l'axe n'est souvent pas assez fine, ce qui génère des mouvements qui peuvent être trop brusques pour que l'outil puisse les supporter », déclare-t-il. .

Evan Duncanson, spécialiste des applications de fraisage chez EMUGE Corp., a noté une autre erreur courante de micro-usinage :la sous-alimentation de l'outil.

« Les personnes novices dans ce type de travail ont tendance à utiliser des micro-outils, mais lorsque vous réduisez la vitesse d'alimentation à plus de 30 000 tr/min, vous finissez par simplement pousser le matériau et l'outil se casse », dit-il. "Vous devez utiliser la vitesse d'avance recommandée pour qu'un outil coupe correctement, quelle que soit sa taille."

Les trajectoires d'outil elles-mêmes peuvent également nécessiter un ajustement. Duncanson a suggéré que la coupe trochoïdale a toujours sa place, mais parce que les micro-fraises sont souvent limitées à deux cannelures et ont une portée relativement longue, une stratégie de fraisage différente pourrait être nécessaire.

"Beaucoup de micro-fraises en bout ont une longueur de coupe très courte - souvent juste une à deux fois le diamètre - avec un collet réduit de 10 ou même 20 fois cette longueur", dit-il. "Avec ces outils, vous allez prendre une coupe axiale très peu profonde et utiliser une quantité de pas relativement importante."

Enfin, les futurs micromachinistes doivent disposer d'un budget d'outillage approprié. Tout comme le fraisage et le perçage avec des outils de la taille d'une mine de crayon ne sont pas pour les âmes sensibles, pas plus que le meulage de tels outils. Duncanson et les autres ici disent que des rectifieuses haut de gamme et des meules spéciales à grain fin sont nécessaires pour obtenir les finitions extrêmement lisses et les arêtes vives que l'on trouve sur leurs produits. Même ainsi, les taux de rebut augmentent, parfois très haut, à mesure que la taille de l'outil diminue. Le résultat est un coût d'outil plus élevé.

"Regardez le tranchant d'une fraise en bout standard de 1/2" sous un microscope", dit-il. "Peu importe la qualité de l'outil, vous verrez deux à trois microns de micropuces et de fractures des bords. C'est pourquoi la plupart des fabricants appliquent un léger affûtage à leurs outils, pour lisser cette fracturation et essentiellement pré-user l'outil. Cependant, vous ne pouvez pas le faire lorsque l'outil mesure un dixième de cette taille, tout comme vous ne pouvez pas appliquer les mêmes revêtements de cinq à 10 microns d'épaisseur. Tout doit être le plus net possible. »

Techniques de micro-usinage

Malgré toutes ces discussions sur les outils tranchants et les équipements de meulage spéciaux, une grande partie du "micro-usinage" d'aujourd'hui n'est pas tel que décrit ici. Oui, une bonne partie est réalisée à l'aide d'outils de coupe conventionnels sur des tours CNC et des centres d'usinage, comme nous venons de le voir. Mais il y a aussi le micro-usinage laser (voir encadré), le micro-EDM et un type de micro-usinage qu'on appellerait plus précisément la microfabrication.

Deux procédés de fabrication de ce type existent. Le premier d'entre eux, le micro-usinage en masse, est généralement utilisé pour créer des MEMS (systèmes micro-électro-mécaniques) par gravure sélective d'un substrat de silicium. Si un dispositif MEMS avait la taille d'une maison, la majeure partie serait souterraine, creusée avec une série de produits chimiques caustiques jusqu'à ce que la structure et les propriétés mécaniques souhaitées soient construites.

Le micro-usinage de surface, quant à lui, construit la "maison" dans une couche de surface qui a été déposée sur une tranche de silicium. Des parties de cette couche cristalline, d'environ 25 microns d'épaisseur, sont éliminées sélectivement via un processus de gravure chimique similaire. Les deux processus ont leurs avantages et leurs inconvénients, et les deux sont utilisés pour produire un large éventail d'appareils extrêmement petits. Il s'agit notamment des MEMS, des capteurs inertiels, des gyroscopes et des dispositifs de détection de pression, que l'on trouve tous dans les smartphones, les automobiles, les avions et divers produits industriels haut de gamme.

Quelles techniques de micro-usinage avez-vous trouvées les plus utiles ? Partagez vos impressions dans les commentaires ci-dessous.