Exploration de l'usinage non conventionnel : AJM, EBM, LBM et PAM

Dans cet article, nous aborderons les procédés d'usinage non conventionnels : 1. Usinage par jet abrasif (AJM) 2. Usinage par faisceau d'électrons (EBM) 3. Usinage par faisceau laser (LBM) 4. Usinage par arc plasma (PAM). Nous verrons aussi : Procédé d'usinage non conventionnel, Caractéristiques et Classifications.

Usinage par jet abrasif (AJM)

En AJM, l'enlèvement de matière résulte de l'impact de fines particules abrasives entraînées par un jet d'air (ou de gaz) à grande vitesse. La figure 6.1 montre le processus avec paramètres typiques. Les particules abrasives ont typiquement 0,025 mm de diamètre et l'air est déchargé à une pression de plusieurs atmosphères.

Mécanique de l'AJM :

Lorsqu'une particule abrasive frappe la surface de la pièce à grande vitesse, l'impact cause une micro-fracture fragile et le jet d'air (ou gaz) emporte la minuscule particule détachée (particule d'usure). Ce processus est donc plus adapté aux matériaux fragiles et cassants. Un modèle pour estimer le taux d'enlèvement de matière (TEM) est disponible : TEM = Z × d × v × ρ / (H_w × X), où Z est le nombre de particules impactant par unité de temps, d le diamètre moyen des grains, v leur vitesse, ρ la densité du matériau abrasif, H_w la dureté du matériau pièce (contrainte d'écoulement), et X une constante.

Paramètres du procédé AJM :

Les caractéristiques du procédé s'évaluent par : (i) le TEM, (ii) la géométrie de la coupe, (iii) la rugosité de surface, (iv) le taux d'usure de la buse.

Les paramètres majeurs contrôlant ces quantités sont :

• (i) L'abrasif (composition, résistance, taille, débit massique)
• (ii) Le gaz (composition, pression, vitesse)
• (iii) La buse (géométrie, matériau, distance et inclinaison par rapport à la surface)

i. L'abrasif : Principalement deux types : oxyde d'aluminium (Al₂O₃) et carbure de silicium (SiC). L'oxyde d'aluminium est généralement préféré. La forme des grains est peu importante, mais ils doivent avoir des arêtes vives pour une action d'usure satisfaisante. Poudres Al₂O₃ et SiC de diamètre nominal 10–50 µm disponibles. Meilleure coupe entre 15 et 20 µm. La réutilisation de la poudre abrasive n'est pas recommandée : capacité de coupe diminuée après première utilisation et risque de colmatage des orifices de la buse. Le débit massique des particules dépend de la pression et du débit du gaz. Quand la fraction massique d'abrasifs dans le jet (ratio de mélange) augmente, le TEM augmente d'abord, atteint un maximum, puis chute.

ii. Le gaz : Les unités AJM fonctionnent typiquement à 0,2–1 N/mm². La composition du gaz affecte indirectement le TEM via la relation vitesse-pression. Une vitesse élevée donne un TEM élevé même à débit massique constant.

iii. La buse : Élément vital contrôlant les caractéristiques. Doit être très dur pour résister à l'usure (carbure de tungstène WC ou saphir). Section transversale de l'orifice : 0,05–0,2 mm². Forme circulaire ou rectangulaire. Durée de vie : buse WC 12–30 h, saphir ~300 h. La distance entre la surface de la pièce et l'extrémité de la buse (NTD – Nozzle Tip Distance) est critique : elle affecte le TEM et la forme/taille de la cavité. Quand NTD augmente, la vitesse des particules augmente (accélération après sortie de buse), augmentant le TEM. Au-delà, la traînée atmosphérique réduit la vitesse et le TEM.

Les machines AJM sont fabriquées et commercialisées par un seul fabricant (S.S. White Co., New York) sous le nom « Airbrasive ».

Caractéristiques de l'AJM :

Usinage par faisceau d'électrons (EBM) :

L'EBM est aussi un procédé thermique. Un flux d'électrons à haute vitesse frappe la surface de la pièce, l'énergie cinétique transférée produisant un chauffage intense. Selon l'intensité, la matière fond ou se vaporise. Le chauffage par faisceau d'électrons peut servir au recuit, soudage ou enlèvement de matière.

Des vitesses très élevées sont obtenues par tension suffisante : ex. 150 000 V → vitesse électronique 228 478 km/s. Le faisceau peut être focalisé sur un point de 10–200 µm, densité de puissance jusqu'à 6 500 milliards W/mm², vaporisant toute substance instantanément. L'EBM est donc un processus de vaporisation très précisément contrôlé, adapté au perçage de trous fins et découpe de fentes étroites.

Trous de 25–125 µm perforés quasi instantanément dans des tôles jusqu'à 1,25 mm d'épaisseur. Fente la plus étroite : 25 µm. Le faisceau peut être dévié par bobines magnétiques, facilitant l'usinage de contours complexes. Mais pour éviter les collisions des électrons avec les molécules d'air, le processus doit se dérouler sous vide (~10⁻⁵ mm Hg), le rendant inadapté aux très grandes pièces.

Les électrons sont émis par la cathode (filament de tungstène chaud), le faisceau est façonné par la coupelle de grille, accélérés par la différence de potentiel cathode/anode, focalisés par lentilles électromagnétiques, déviés par bobines pour contrôler le mouvement.

Pour le perçage, le diamètre du trou dépend du diamètre du faisceau et de la densité d'énergie. Si le trou requis est plus large que le faisceau, ce dernier est dévié en cercle. La plupart des trous EBM présentent un petit cratère côté incidence et un léger conique (2°–4°) si épaisseur > 0,1 mm. Pour la découpe de fentes, la vitesse dépend du taux d'enlèvement. Côtés quasi parallèles jusqu'à 0,1 mm d'épaisseur, conicité 1°–2° au-delà. Légers projections côté incidence.

La puissance requise est approximativement proportionnelle au taux d'enlèvement : P ≈ C·Q. Le tableau 6.7 donne les valeurs approximatives de C pour différents matériaux.

Mécanique de l'EBM :

L'électron (masse 9,109×10⁻³¹ kg, charge -1,602×10⁻¹⁹ C) accéléré sous une tension V acquiert une énergie cinétique ½ mₑ(u²–u₀²) = eV. En négligeant u₀, vitesse u ≈ 600√V (km/s). En percutant une surface, l'électron pénètre une couche transparente sans perturbation, puis entre en collision avec les atomes du réseau, cédant son énergie cinétique → chaleur générée à l'intérieur du matériau, sous la peau transparente. La portée totale δ (mm) dépend de l'énergie cinétique : δ = k·V^(3/2) / ρ (V en volts, ρ densité en kg/mm³).

Effets de l'EBM sur les matériaux : L'usinage par faisceau d'électrons n'élève pas la température du matériau environnant (sauf couche extrêmement mince), donc pas d'effet sur le matériau. À 25–50 µm du point d'usinage, le matériau reste à température ambiante. Risque de contamination faible (processus sous vide).

Résumé des caractéristiques de l'EBM :

Usinage par faisceau laser (LBM) :

Comme le faisceau d'électrons, le faisceau laser produit des densités de puissance très élevées. Le laser est un faisceau cohérent (espace et temps) de rayonnement électromagnétique, longueur d'onde 0,1–70 µm. Pour l'usinage, la plage utilisable est 0,4–0,6 µm. Grâce à des rayons parfaitement parallèles et monochromatiques, il peut être focalisé sur un diamètre très petit, densité de puissance jusqu'à 10⁷ W/mm². On utilise généralement un laser rubis pulsé pour haute puissance ; le laser CO₂-N₂ continu a aussi été utilisé avec succès.

Un tube xénon enroulé autour de la tige de rubis, parois internes réfléchissantes, condensateur chargé, haute tension sur électrode de déclenchement → flash → pompage. Faisceau laser émis, focalisé par lentille, rencontre la surface de la pièce, enlève matière par vaporisation et ablation à haute vitesse. Une faible fraction du métal fondu se vaporise si vite qu'une impulsion mécanique éjecte une grande partie du métal liquide. Le système doit être refroidi car l'énergie du tube flash dépasse largement l'énergie du laser. Rendement LBM très faible : 0,3–0,5 %. Énergie typique 20 J, impulsion 1 ms, puissance crête 20 000 W, divergence ~2×10⁻³ rad, spot ~50 µm avec lentille f=25 mm.

Comme le faisceau d'électrons, le laser perce des micro-trous et coupe des fentes étroites. Trous jusqu'à 250 µm, précision dimensionnelle ±0,025 mm. Conicité 0,05 mm/mm si épaisseur > 0,25 mm.

Mécanique du LBM :

L'usinage laser se déroule en phases : (i) Interaction faisceau-matière, (ii) Conduction thermique et élévation de température. Analyse complète difficile ; nous nous limitons à l'élévation de température jusqu'au point de fusion (vaporisation/ablation non considérées).

(i) Interaction laser-matière : Dépend de l'interaction thermo-optique. La surface ne doit pas refléter trop d'énergie incidente. Loi de Lambert : I(z) = I(0)e^(-µz). La majeure partie de l'énergie est absorbée dans une couche très mince (épaisseur typique 0,01 µm). On peut assimiler le faisceau laser à un flux de chaleur à la surface.

(ii) Conduction thermique et élévation de température : Ré-radiation à 3000 K négligeable (~600 W/cm²) vs flux incident 10⁵–10⁷ W/cm². Problème unidimensionnel : spot plus large que profondeur de pénétration, propriétés thermiques constantes. Équation de conduction : ∂θ/∂t = α ∂²θ/∂z² avec flux uniforme H(t) en surface.

Pénétration de trou en régime permanent :

Détermination des dimensions de la zone fondue complexe. Si le trou fondu est profond et étroit, la conduction se fait principalement par les parois latérales. Quand taux d'apport thermique = taux de perte thermique, le trou maintient forme et taille. En régime permanent, taux de perte thermique = 2πk(θ_m - θ_0) / ln(D/d). D ≈ 55d, ln(D/d) ≈ 4. Égalant apport et perte : relation obtenue. Pour intensité très élevée (>10⁷ W/cm²), chauffage rapide, vaporisation de surface, recul de surface à vitesse v : H ≈ v·L (L = énergie pour vaporiser volume unitaire).

Résumé des caractéristiques du LBM :

Usinage par arc plasma (PAM) :

Un plasma est un gaz ionisé à haute température. Le PAM utilise un jet de plasma à haute vitesse et haute température. Le jet chauffe la pièce (point d'impact), causant une fusion rapide. PAM utilisable sur tous matériaux conducteurs d'électricité, y compris ceux résistants au coupage oxycoupure. Largement utilisé pour découpe de profilés en acier inoxydable, monel, alliages super-réfractaires.

Le plasma est généré en soumettant un gaz en écoulement au bombardement d'électrons d'un arc. L'arc est établi entre l'électrode et la buse anodique ; le gaz traverse l'arc. Les électrons à haute vitesse heurtent les molécules de gaz, les dissociant en ions et électrons → augmentation massive de la conductivité (état plasma). Les électrons libres accélèrent, causant plus d'ionisation et chauffage. Récombinaison ions/électrons → atomes ou atomes/molécules (processus exothermiques) → nouvelle hausse de température. Jet de plasma à haute température forcé à travers la buse. Enlèvement de matière par (i) chauffage/fusion et (ii) éjection du métal fondu par l'action de soufflage du jet plasma.

Pour plus de détails, consulter les ouvrages de référence. Ici, nous listons les caractéristiques de base pour familiariser le lecteur.

Résumé des caractéristiques du PAM :