Fabrication à mésoéchelle / Mésofabrication

Avec les techniques de production conventionnelles, nous produisons des structures "à grande échelle" qui sont relativement grandes et visibles à l'œil nu. Avec MESOMANUFACTURING cependant nous produisons des composants pour des appareils miniatures. La mésofabrication est également appelée MESOSCALE MANUFACTURING ou MESO-MACHINING. La mésofabrication chevauche à la fois la macro et la microfabrication. Des exemples de mésofabrication sont les aides auditives, les stents, les très petits moteurs.

 

 

 

La première approche de la mésofabrication consiste à réduire les processus de macrofabrication. Par exemple, un tour minuscule avec des dimensions de quelques dizaines de millimètres et un moteur de 1,5 W pesant 100 grammes est un bon exemple de mésofabrication où la réduction d'échelle a eu lieu. La deuxième approche consiste à mettre à l'échelle les processus de microfabrication. Par exemple, les processus LIGA peuvent être mis à l'échelle et entrer dans le domaine de la mésofabrication.

 

 

 

Nos procédés de mésofabrication comblent le fossé entre les procédés MEMS à base de silicium et l'usinage miniature conventionnel. Les procédés à petite échelle peuvent fabriquer des pièces bidimensionnelles et tridimensionnelles ayant des caractéristiques de taille micrométrique dans des matériaux traditionnels tels que les aciers inoxydables, la céramique et le verre. Les procédés de mésofabrication qui nous sont actuellement disponibles comprennent la pulvérisation par faisceau ionique focalisé (FIB), le micro-fraisage, le micro-tournage, l'ablation au laser excimer, l'ablation au laser femtoseconde et l'usinage par micro-électrodécharge (EDM). Ces procédés à mésoéchelle utilisent des technologies d'usinage soustractives (c'est-à-dire l'enlèvement de matière), tandis que le procédé LIGA est un procédé additif à mésoéchelle. Les processus de mésofabrication ont des capacités et des spécifications de performances différentes. Les spécifications de performance d'usinage intéressantes incluent la taille minimale des éléments, la tolérance des éléments, la précision de l'emplacement des éléments, la finition de surface et le taux d'enlèvement de matière (MRR). Nous avons la capacité de mésofabrication de composants électromécaniques nécessitant des pièces de mésoéchelle. Les pièces de mésoéchelle fabriquées par les procédés de mésofabrication soustractive ont des propriétés tribologiques uniques en raison de la variété des matériaux et des états de surface produits par les différents procédés de mésofabrication. Ces technologies d'usinage méso-échelle soustractives nous amènent des préoccupations liées à la propreté, à l'assemblage et à la tribologie. La propreté est essentielle dans la mésofabrication, car la taille des particules de saleté et de débris à l'échelle méso créée au cours du processus de méso-usinage peut être comparable aux caractéristiques à l'échelle méso. Le fraisage et le tournage à petite échelle peuvent créer des copeaux et des bavures qui peuvent bloquer les trous. La morphologie de surface et les conditions de finition de surface varient considérablement en fonction de la méthode de mésofabrication. Les pièces à petite échelle sont difficiles à manipuler et à aligner, ce qui fait de l'assemblage un défi que la plupart de nos concurrents sont incapables de surmonter. Nos taux de rendement en mésofabrication sont bien supérieurs à ceux de nos concurrents ce qui nous donne l'avantage de pouvoir proposer de meilleurs prix.

 

 

 

PROCÉDÉS D'USINAGE MÉSO-ÉCHELLE : Nos principales techniques de mésofabrication sont le faisceau ionique focalisé (FIB), le micro-fraisage et le micro-tournage, le méso-usinage laser, le micro-EDM (usinage par décharge électrique)

 

 

 

Mésofabrication utilisant un faisceau ionique focalisé (FIB), un micro-fraisage et un micro-tournage : le FIB pulvérise le matériau d'une pièce par bombardement par faisceau d'ions Gallium. La pièce est montée sur un ensemble d'étapes de précision et est placée dans une chambre à vide sous la source de gallium. Les étapes de translation et de rotation dans la chambre à vide rendent divers emplacements sur la pièce à usiner disponibles pour le faisceau d'ions Gallium pour la mésofabrication FIB. Un champ électrique accordable balaye le faisceau pour couvrir une zone projetée prédéfinie. Un potentiel de haute tension provoque l'accélération et la collision d'une source d'ions gallium avec la pièce à usiner. Les collisions arrachent les atomes de la pièce à usiner. Le résultat du processus de méso-usinage FIB peut être la création de facettes presque verticales. Certains FIB dont nous disposons ont des diamètres de faisceau aussi petits que 5 nanomètres, ce qui fait du FIB une machine capable de mesurer à l'échelle méso et même à l'échelle microscopique. Nous montons des outils de micro-fraisage sur des fraiseuses de haute précision pour usiner des canaux en aluminium. En utilisant la FIB, nous pouvons fabriquer des outils de micro-tournage qui peuvent ensuite être utilisés sur un tour pour fabriquer des tiges finement filetées. En d'autres termes, le FIB peut être utilisé pour usiner des outils durs en plus des fonctions de méso-usinage directement sur la pièce finale. Le taux d'enlèvement de matière lent a rendu le FIB peu pratique pour l'usinage direct de grandes caractéristiques. Les outils durs, cependant, peuvent enlever de la matière à une vitesse impressionnante et sont suffisamment durables pour plusieurs heures d'usinage. Néanmoins, le FIB est pratique pour le méso-usinage direct de formes tridimensionnelles complexes qui ne nécessitent pas un taux d'enlèvement de matière conséquent. La longueur d'exposition et l'angle d'incidence peuvent grandement affecter la géométrie des éléments directement usinés.

 

 

 

Mésofabrication au laser : Les lasers à excimères sont utilisés pour la mésofabrication. Le laser à excimère usine le matériau en le pulsant avec des impulsions nanosecondes de lumière ultraviolette. La pièce à usiner est montée sur des platines de translation de précision. Un contrôleur coordonne le mouvement de la pièce par rapport au faisceau laser UV stationnaire et coordonne le déclenchement des impulsions. Une technique de projection de masque peut être utilisée pour définir des géométries de méso-usinage. Le masque est inséré dans la partie expansée du faisceau où la fluence laser est trop faible pour ablater le masque. La géométrie du masque est agrandie à travers la lentille et projetée sur la pièce à usiner. Cette approche peut être utilisée pour usiner plusieurs trous (réseaux) simultanément. Nos lasers à excimère et YAG peuvent être utilisés pour usiner des polymères, des céramiques, du verre et des métaux ayant des tailles de caractéristiques aussi petites que 12 microns. Un bon couplage entre la longueur d'onde UV (248 nm) et la pièce dans la mésofabrication / méso-usinage laser se traduit par des parois de canal verticales. Une approche de méso-usinage laser plus propre consiste à utiliser un laser femtoseconde Ti-saphir. Les débris détectables de ces processus de mésofabrication sont des nanoparticules. Des caractéristiques profondes d'un micron peuvent être microfabriquées à l'aide du laser femtoseconde. Le processus d'ablation au laser femtoseconde est unique en ce sens qu'il rompt les liaisons atomiques au lieu d'ablater thermiquement le matériau. Le processus de méso-usinage / micro-usinage au laser femtoseconde occupe une place particulière dans la mésofabrication car il est plus propre, capable de micron, et il n'est pas spécifique au matériau.

 

 

 

Mésofabrication à l'aide de Micro-EDM (usinage par électroérosion) : L'usinage par électroérosion élimine la matière par un processus d'électroérosion. Nos machines de micro-EDM peuvent produire des caractéristiques aussi petites que 25 microns. Pour le plomb et la machine de micro-EDM à fil, les deux principales considérations pour déterminer la taille des caractéristiques sont la taille de l'électrode et l'espace de sur-brûlure. Des électrodes d'un peu plus de 10 microns de diamètre et des surbrûlures aussi petites que quelques microns sont utilisées. La création d'une électrode à géométrie complexe pour la machine d'électro-érosion par enfonçage nécessite un savoir-faire. Le graphite et le cuivre sont tous deux populaires comme matériaux d'électrode. Une approche pour fabriquer une électrode EDM à enfonçage compliquée pour une pièce à échelle moyenne consiste à utiliser le procédé LIGA. Le cuivre, en tant que matériau d'électrode, peut être plaqué dans des moules LIGA. L'électrode LIGA en cuivre peut ensuite être montée sur la machine d'électro-érosion par enfonçage pour la mésofabrication d'une pièce dans un matériau différent tel que l'acier inoxydable ou le kovar.

 

 

 

Aucun procédé de mésofabrication n'est suffisant pour toutes les opérations. Certains processus à moyenne échelle ont une portée plus large que d'autres, mais chaque processus a sa niche. La plupart du temps, nous avons besoin d'une variété de matériaux pour optimiser les performances des composants mécaniques et nous sommes à l'aise avec les matériaux traditionnels tels que l'acier inoxydable, car ces matériaux ont une longue histoire et ont été très bien caractérisés au fil des ans. Les procédés de mésofabrication nous permettent d'utiliser des matériaux traditionnels. Les technologies d'usinage soustractives à moyenne échelle élargissent notre base de matériaux. Le grippage peut être un problème avec certaines combinaisons de matériaux dans la mésofabrication. Chaque processus d'usinage particulier à méso-échelle affecte de manière unique la rugosité et la morphologie de la surface. Le micro-fraisage et le micro-tournage peuvent générer des bavures et des particules pouvant causer des problèmes mécaniques. Le micro-EDM peut laisser une couche de refonte qui peut avoir des caractéristiques d'usure et de frottement particulières. Les effets de frottement entre les pièces à mésoéchelle peuvent avoir des points de contact limités et ne sont pas modélisés avec précision par les modèles de contact de surface. Certaines technologies d'usinage à méso-échelle, telles que la micro-EDM, sont assez matures, contrairement à d'autres, telles que le méso-usinage laser femtoseconde, qui nécessitent encore des développements supplémentaires.