Le micro-usinage sous la loupe des spécialistes

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La lubrification en quantité minimale

Michel Monnat de Blaser Swisslube AG a approfondi le thème de la lubrification en quantité minimale (LQM). Il s’agit de systèmes de buses pulvérisant un mélange d’air et d'huile sur l’outil de coupe. Ce système de lubrification ne remplace pas un arrosage classique mais c'est une bonne alternative à un travail à sec. Cependant il souffre de certaines limitations qui ont été parfaitement mises en lumière lors de cet exposé. La LQM dispose de capacités de refroidissement et de rinçage moindre mais apporte un très net gain en termes de lubrification par rapport à un usinage à sec. Il y a encore le problème de la résinification, (huile de coupe qui sèche sur la machine), la modification des caractéristiques du liquide de coupe contenu dans le bac si la pollution par la LQM est trop importante. Une autre limitation est que généralement la LQM ne peut pas se faire par la broche mais uniquement via un système périphérique ce qui rend difficile l’amenée de l’huile coupe à l’outil lors d’opérations de rainurages, de poches ou d’usinages profonds où des parois pourront interférer. Mais la LQM a aussi des avantages, c’est une alternative très intéressante à l’usinage à sec. Par rapport à ce dernier, et si le lubrifiant est parfaitement approprié, la durée de vie de l’outil est multipliée par 5. Les arrêtes rapportées, surtout lors de l’usinage d’aciers inoxydables à sec, ne sont plus qu’un lointain problème. Economiquement parlant, cette solution est aussi intéressante car la consommation est bien moindre qu’avec une lubrification classique.

Utilisation d’outils en diamant pour les micro-usinages des matériaux non-ferreux

Le diamant est le matériau connu le plus dur au monde, il est constitué à 100% de carbone. C’est un matériau de coupe utilisé depuis de longues années déjà mais qui mériterait d’être encore mieux connu. Eric Chaillet de Dixi-Polytool SA maitrise parfaitement le sujet et c’est avec force et détails qu’il a fait la promotion de ce matériau de coupe exceptionnel. L’utilisation du diamant se limite aux matériaux non-ferreux. En effet une réaction chimique se créée entre l'outil et le matériau au dessus d'une certaine température. Pour un acier à 0.45% de carbone, déjà à partir de 350°C une migration du carbone du diamant vers le matériau métallique s’opère. Mais pour tous les matériaux non-ferreux, aluminium, laiton, cuivre, plastique, or, argent, platine, fibre de carbone, céramiques et carbures pré-frittés, le diamant est une solution très performante. Le secteur de l’automobile l’utilise depuis de longues années déjà. Il existe 2 principales familles de diamants, le diamant monocristallin (MDC) et les diamants polycristallins (PDC/CVD-D). Les outils en diamant MDC sont utilisés pour des opérations de super finitions alors que les outils en PCD ont un champ d’applications plus large. Un outil de coupe en MDC ou PCD est toujours constitué d’un corps d’outil en carbure sur lequel des plaquettes de coupe en diamant sont brasées. Ces dernières sont affutées de manière conventionnelle à la meule ou alors avec un laser pour une acuité de coupe encore supérieure avec la possibilité de graver un brise-copeaux ce qui est impossible par rectification ou EDM. Au niveau de la géométrie de l’outil, les goujures restent droites ou inclinées mais il est impossible à l’heure actuelle de proposer des outils hélicoïdaux. Par contre un grand nombre d’outils peuvent être fabriqués à partir du diamant. Dixi-Polytool propose des fraises 2 tailles, hémisphériques ou à fileter. Au niveau des diamètres, actuellement le fabricant propose des outils à partir d’un diamètre de 0,4 mm jusqu’à 20 mm. Avec des vitesses de coupe très supérieures au carbure et une dureté sans équivalent, les outils en diamants devraient être considérés pour tous les usinages de matériaux non-ferreux.

Fabrication additive métallique par fusion, l’avenir est en marche !

Invité d’honneur de ce séminaire, le Prof.Dr. Patrick Hoffmann du LPMAT-EMPA de l’EPFL est le spécialiste de la fabrication additive métallique par fusion. 1000 personnes travaillent à l’EMPA dont environ 250 doctorants. Avec beaucoup d’humour il a plongé l’auditoire au cœur de la fabrication de demain. Pour commencer il est important de comprendre certaines limitations inhérentes à ce procédé de fabrication. A l’heure actuelle, tous les matériaux métalliques ne se prêtent pas ou peu à la fabrication additive par fusion. Souvent ces limitations sont les mêmes que lors d’opérations de soudure. Le procédé engendre une élévation importante de la température, bien plus qu’en soudage classique, car la totalité de la pièce a été fabriquée par fusion. Il faut ensuite être capable de détendre la pièce pour éliminer toutes ses contraintes. Il existe différentes techniques de fabrication additive métallique. Il y a d’abord celles dites sur lit de poudre (Powder bed), SLM pour Selective Laser Melting et EBM pour Electron Beam Melting. La fusion sélective par laser utilise un laser qui va faire fondre la poudre métallique de façon successive couche par couche. Puis, la machine va rajouter successivement un lit de poudre au-dessus de la couche fusionnée jusqu'à la réalisation complète de la pièce. La technique EBM a la particularité d’utiliser un faisceau d'électrons (à la place d'un laser) pour faire fondre la poudre de métal couche par couche.

Les autres techniques de fabrication sont le dépôt direct avec le LPD pour Laser Powder Deposition et le LWD pour Laser Wire Deposition. La déposition laser directe utilise un jet de poudre qui sera fusionné par le laser. Le principe LWD fonctionne comme une imprimante 3D à fil plastique sauf qu’ici le fil est métallique et chauffé à des températures bien plus élevées.

L’avenir appartient aux systèmes à dépôts directs mais ces derniers souffrent encore de quelques défauts de jeunesse comme des cordons encore trop grossiers. Mais ils ont aussi de grands avantage comme la possibilité de changé de matériau en cours de pièce, soit de pouvoir fabriquer des éléments multi-métaux. Pour le professeur Hoffmann la technologie à lit de poudre est une étape intermédiaire avant l’avènement du dépôt direct. Ce dernier demande encore selon le professeur 5 années de recherche avant de pouvoir pleinement déployer son potentiel. Actuellement les limitations se situent au niveau de la finesse du cordon, les bords sont encore trop grossiers mais il y a aussi des limitations physiques inhérentes aux températures atteintes. En effet, la fabrication additive par fusion n’est rien d’autre qu’une soudure continue, une fois la goutte de matière en fusion formée il faut une avance constante pour obtenir un cordon homogène. C’est le matériau qui définit la vitesse d’avance et c’est pourquoi il est impossible de réduire les temps de cycles de fabrication. L’éjection de matière devant la goutte en fusion reste un des principaux problèmes à résoudre. La grossièreté des cordons peut en partie être éliminée par l’utilisation d’un laser étroit en association avec des couches fines mais dans ces conditions le nombre de couches devient très important et les temps de cycles excessifs. A l’inverse, avec un laser plus large et des couches plus épaisses, le rendement augmente de manière significatif au détriment de la précision. Pour remédier à ces problèmes la solution passera par une réduction de la taille des grains des poudres métallique et un contrôle de la dispersion du jet de poudre en association avec des lasers pulsés plus étroits. En effet des lasers plus puissants ne feraient qu’augmenter la réflectivité et annuleraient ainsi le gain espéré par l’augmentation de l’intensité du faisceau. Mais cette quadrature du cercle est sur le point de prendre fin et prochainement il sera possible de trouver des solutions performantes pour l'impression 3D métallique. Selon Patrick Hoffmann, les imprimantes 3D pour pièces métalliques seront parfaitement au point d’ici à 5 ans. Les travaux menés à l’EMPA le prouvent, mais dans ce domaine très pointu les industriels dépendent fortement de l’état des recherches pratiquées dans les Hautes écoles. Le conseil du spécialiste est le suivant : Attendre encore environ 5 ans avant d’investir dans une machine de fabrication additive métallique par fusion et ainsi profité de produits réellement performants. Ou alors si son centre d’activité est l’impression 3D, il ne faut pas hésiter à investir aujourd'hui pour se familiariser avec cette nouvelle technologie pour être fin prêt le jour où les nouvelles générations de machines seront disponibles. MSM

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