Alors que les ordinateurs et les téléviseurs continuent de s’amincir, la technologie médicale a également progressé au point où des dispositifs de plus en plus miniaturisés peuvent être implantés dans le corps humain, même des caméras suffisamment petites pour y naviguer.
Non seulement les choses deviennent plus petites, mais elles sont également équipées de plus de composants, offrant plus de puissance et de fonctionnalité. Les micro-composants ont maintenant un large éventail d’applications dans des industries telles que l’aérospatiale, l’automobile, le biomédical, l’électronique, les technologies de l’information, l’optique et les télécommunications.
Le développement de tous ces produits entraîne une demande accrue de pièces et d’assemblages plus petits. Afin de réduire continuellement les coûts, la plupart de ces composants miniatures sont fabriqués à l’aide de moules. Ces tendances posent des défis nouveaux et variés aux fabricants de moules, qu’il s’agisse de l’utilisation de nouveaux matériaux de qualité aérospatiale et de revêtements de moules spéciaux, du fraisage avec des outils de 0,1 mm de diamètre et de l’obtention d’une précision submicronique.
Dans le même temps, la complexité intrinsèque des micro-composants crée également de nouvelles opportunités. Alors que la production de moules simples et modérément complexes se déplace vers des pays où les coûts de main-d’œuvre sont plus faibles, les fabricants de moules aux États-Unis et en Europe peuvent maintenir leur avantage concurrentiel en se tournant vers des technologies de pointe telles que le micro-moulage et le micro-fraisage.
Les défis de la fabrication de petites pièces
L’un des principaux défis de la production de moules pour composants miniatures est l’usinage proprement dit de ces petites pièces. Le fraisage direct de zones de moules fonctionnelles et la production de petites électrodes EDM imposent des exigences extrêmement élevées à la technologie de fraisage.
Les défis du micro-fraisage comprennent l’utilisation d’outils ultra-petits, parfois aussi petits que 100 microns (μm) ou moins, fonctionnant à des vitesses de broche allant jusqu’à 150 000 tr/min. La rugosité de surface requise atteint souvent Ra 0,2 micron. Étant donné que le polissage de ces petites caractéristiques n’est généralement pas pratique, le micro-fraisage doit permettre d’obtenir une finition sans polissage.
Fraisage d’une électrode EDM avec un outil de 0,1 mm (photo avec l’aimable autorisation de Cimatron).
Technologie de micro-fraisage
Pour répondre à la fois aux exigences de qualité et de précision tout en restant économiquement viable, l’ensemble de la chaîne de fabrication doit être optimisée et synchronisée. Les fournisseurs de machines CNC, d’outils, de porte-outils, de montages et d’équipements de contrôle de la qualité doivent tous fournir des solutions compétitives et précises.
Considérations clés dans un environnement de micro-broyage :
1) Outils, supports et broches
Les outils de petit diamètre sont fondamentaux pour le micro-fraisage. Selon la taille de la pièce, les outils peuvent être aussi petits que 0,1 mm, et peut-être plus petits à l’avenir. La disponibilité et le coût de ces outils doivent être pris en compte à un stade précoce.
Des vitesses de broche élevées sont essentielles pour les outils de petit diamètre. Par exemple, à 10 000 tr/min avec un outil de 0,1 mm, la vitesse de coupe (Vc) n’est que de 3,3 m/min, ce qui est beaucoup trop faible.
Pour les broches fonctionnant entre 20 000 et 150 000 tr/min, il est essentiel d’obtenir un équilibre dynamique parfait et un faux-rond nul à l’aide de porte-outils thermorétractables de haute précision. Sinon, la finition de surface en souffrira et la durée de vie de l’outil diminuera considérablement.
2) Fixation et intégration des processus
Les pièces de micro-fraisage doivent généralement être usinées en une seule configuration. La combinaison de l’EDM et du fraisage dans des opérations distinctes peut entraîner un désalignement inacceptable et des marques d’outils visibles.
3) Machines-outils et environnement d’atelier
Les machines doivent offrir une précision et une résolution constantes à quatre décimales près (c’est-à-dire au micron).
Le micro-fraisage bénéficie grandement des capacités à cinq axes, permettant des outils plus courts en s’inclinant loin des surfaces. Cependant, étant donné que la précision actuelle sur cinq axes est souvent à la traîne par rapport aux systèmes à trois axes, toute mise en œuvre sur cinq axes pour le micro-fraisage doit être soigneusement validée.
Le contrôle de la température et l’isolation des vibrations sont essentiels. Même un camion lourd passant devant l’atelier peut laisser des marques sur une surface si la machine n’est pas correctement isolée.
4) Stratégies de broyage
Selon la géométrie, le micro-fraisage peut nécessiter des stratégies allant au-delà de la simple réduction des effectifs. Dans de nombreux cas, le fraisage ascendant (plutôt que le fraisage conventionnel) est l’approche privilégiée.
Les solutions CAD/CAM pour le micro-fraisage de haute précision dans la fabrication de moules doivent offrir des outils 3D faciles à utiliser.
Exigences en matière de CFAO
S’il est intuitif de considérer les machines, les supports et les outils comme les principaux défis de la réduction à la microfabrication, le logiciel est tout aussi complexe. À première vue, un logiciel peut sembler plus simple : il doit gérer des nombres comme 0,0001 aussi bien que 1,0 ou 10. Mais en réalité, c’est beaucoup plus nuancé.
Caractéristiques essentielles des systèmes de CAO :
Une interprétation fiable et précise du modèle est cruciale. La réduction de la traduction des données entre les systèmes permet de maintenir la fidélité du modèle.
Des tolérances géométriques ultra-serrées (0,1 à 0,01 micron) sont essentielles pour créer des lignes de joint ou une géométrie pour les curseurs, les goupilles d’éjection et les poussoirs. Les espaces entre les surfaces de joint doivent être éliminés, en maintenant la continuité C1 et C2.
Prise en charge de très petits moules multi-empreintes, y compris des pièces d’échantillons et des assemblages complexes.
Configuration système FAO requise pour le micro-fraisage :
Prise en charge de tolérances serrées et d’un usinage de très haute précision.
Comme il est impossible d’intervenir manuellement pendant le fonctionnement, la FAO doit gérer avec précision la charge de copeaux tout au long de la trajectoire de l’outil.
Utilisation de modèles mathématiques à haute résolution pour maintenir la fidélité géométrique. Les plates-formes CAD/CAM intégrées sont idéales car elles éliminent les erreurs de traduction.
Fonctions de modélisation intégrées de haute précision (par exemple, recouvrement de surface, extension) avec contrôle de tangente approprié.
Prise en charge d’une déviation de trajectoire d’outil aussi faible que 0,1 micron, ce qui est essentiel lors de l’usinage de caractéristiques fines sur de grandes pièces.
Possibilité de définir des paramètres de niveau de micro-fraisage, tels que l’utilisation d’un outil de 0,1 mm, de pas de 0,005 mm et d’un rayon d’outil de 0,05 mm. La trajectoire d’outil résultante doit être précise à cinq décimales près.
Stratégies combinant l’ébauche, la semi-finition et la finition en une seule opération continue.
Contrôle intelligent de la vitesse d’avance sur la base de la matière restante réelle pour protéger les outils fragiles et réduire le temps d’usinage.
Conclusion
Les microsystèmes, les micromoules et le micro-fraisage sont en train de devenir des technologies passionnantes pour la production en série de pièces miniatures. Avec une précision submicronique et des outils de coupe presque invisibles à l’œil nu, ce domaine en pleine croissance présente de nombreux défis et opportunités pour les fabricants de moules et les fournisseurs.
Cela nécessite une connaissance approfondie des nouveaux matériaux, des outils ultra-fins, des revêtements spéciaux et des logiciels de CFAO avancés. Cependant, le micro-fraisage offre également un avantage concurrentiel aux fabricants qui cherchent à se différencier des concurrents à faible coût.
Un développement efficace dans ce domaine exige une collaboration entre l’industrie, les instituts de recherche et les gouvernements, un modèle déjà en cours en Europe. L’initiative CRAFT de l’UE, dirigée par l’IPT Fraunhofer, s’est associée à des fournisseurs de premier plan de machines CAO/FAO, de machines, d’outils et de montages CNC pour développer des matériaux, des machines et des outils logiciels de nouvelle génération pour la microfabrication.
Il est temps pour l’industrie nord-américaine de l’outillage de se joindre à ce segment de marché émergent et très rentable et de tirer parti de celui-ci.
Le micro-fraisage en un coup d’œil
La technologie des microsystèmes est devenue l’une des industries à la croissance la plus rapide au monde. Des secteurs tels que les dispositifs biomédicaux, l’optique et la microélectronique (y compris les composants mobiles et informatiques) génèrent une énorme demande pour des pièces minuscules de haute précision.
Les composants nécessitant une microfabrication mesurent souvent 5 mm ou moins, avec des exigences de finition de surface de 0,2 micron ou plus et une dureté du matériau atteignant 45 HRC ou plus.
Le micro-fraisage est une technologie de pointe conçue spécifiquement pour la fabrication de composants miniatures et ultra-précis. Il s’agit d’outils de moins de 0,1 mm de diamètre, permettant d’obtenir des surfaces ultra-lisses et des tolérances au micron, bien au-delà des capacités des logiciels CN standard.
Pour atteindre ce niveau de précision, les fabricants doivent surmonter des défis tels que la déformation des pièces, la complexité croissante et l’utilisation d’outils spécialisés. Les principales capacités de micro-fraisage comprennent :
Diamètres d’outil de 100 μm ou moins
Rapports d’aspect de l’outil (L/D) de 10 à 100
Vitesses de broche de 150 000 tr/min ou plus
Tolérances d’usinage de 0,1 mm ou moins
Correction de géométrie et parcours d’outils ultra-précis
Le micro-fraisage représente l’avenir du fraisage à grande vitesse. Les entreprises maîtrisant la fabrication de moules de micro-précision bénéficieront d’un puissant avantage concurrentiel.
