Electro Erosion

L’ELECTRO-EROSION

SOMMAIRE 1- HISTORIQUE

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2- GENERALITES 2-1 Procédé d’usinage

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2-2 L’étincelage

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2-3 Principe de création de l’étincelle

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3- LE GENERATEUR D’ETINCELLES

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4- UN OUTIL : L’ELECTRODE

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5- LES DIELECTRIQUES

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6- LA PIECE

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7- AVANCEES TECHNOLOGIQUES

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8- LEXIQUE

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1- HISTORIQUE La découverte de l’effet érosif d’une décharge électrique à été constaté pour la première fois en 1770 par le savant anglais PRIESTLEY. Ce n’est que bien plus tard, en 1943, que les savants soviétiques LAZARENKO eurent l’idée d’exploiter cette effet destructeur pour l’usinage des métaux. Ils mirent donc au point le procédé d’usinage par « étincelage », appelé ainsi en raison du fait qu’une succession d’étincelles (décharges électriques) s’opèrent entre deux conducteurs immergés dans un liquide diélectrique.

2- GENERALITES 2-1 Procédé d’usinage L’électro-érosion est un procédé qui consiste à enlever de la matière dans une pièce en utilisant des décharges électriques comme moyen d’usinage. Cette technique se caractérise par son aptitude à usiner tous les matériaux conducteurs d’électricité (métaux, alliages, carbures, graphites, etc…) quelle que soit leur dureté. Pour usiner par électro-érosion, 4 éléments sont indispensables : -

Une électrode (rep. 1) Une pièce (rep. 2) Du diélectrique (rep. 3) De l’électricité

(chacun de ces composants fera l’objet d’un chapitre dans cet exposé) Le liquide diélectrique a pour tache de réduire la température dans la zone d’usinage, d’enlever les particules métalliques résiduelles (arrosage) et de permettre la création de l’étincelle. Produites par un générateur d’étincelles, ces dernières vont, par intervalle régulier, créer une succession de cratères dans la pièce. Chaque étincelle dégage une température comprise entre 8000 et 12000°C. La grosseur du cratère dépend de l’énergie régulée par le générateur et de la portée de l’étincelle (variable entre quelques microns et 1mm).

Schéma simplifié : (électro-érosion par enfonçage)

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2-2 L’étincelage On distingue deux grandes familles de procédés d’usinage par étincelage :

L’enfonçage L’électro-érosion par enfonçage reproduit dans une pièce métallique la forme de l’électrode de façon débouchante (perçage fig.1) ou non-débouchante (gravage fig. 2). La forme donné à cette électrode est celle qu’aura l’empreinte une fois usinée. Les moules d’injection plastiques sont très fréquemment usinés par enfonçage.

Fig. 1

Fig. 2

Machine d’électroérosion par enfonçage.

Résultat obtenu après usinage par enfonçage.

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Le découpage ou tronçonnage Le découpage par électro-érosion utilise trois technologies différentes : par lame, par ruban et par fil (Fig. 3, 5 et 4). C’est ce dernier que nous étudierons plus en détail.

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5

L’électro-érosion par fil découpe dans une pièce, à l’aide d’un fil métallique, un contour programmé. Le fil est le plus souvent en cuivre stratifié ou en laiton. Il mesure entre 0.02 et 0.3 mm de diamètre. La découpe est toujours traversante. Pour commencé un usinage il faut soit percé un trou dans la pièce pour le passage du fil, soit débuter depuis un bord. Le fil pouvant s’incliné, il est possible de réaliser des pièces avec des dépouilles. Les matrices d’outils de découpe, les poinçons ainsi que les matrices d’extrusion sont fréquemment usinés au fil. A noter que dans les deux cas ci-dessus (enfonçage ou découpe), il n’y a jamais de contact entre l’électrode et la pièce. Chaque étincelle provoque un cratère sur la pièce et un impact sur l’outil (usure de l’électrode ou du fil).

Machine à électroérosion par fil. Résultats obtenus après découpe par fil.

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2-3 Principe de création de l’étincelle

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3- LE GENERATEUR D’ETINCELLE Elément très important d’une machine à électro-érosion. C’est lui qui va convertir le courant alternatif du réseau en impulsions rectangulaires (étincelles).

Générateur par circuit à relaxation (circuit LAZARENKO Fig. 6) Une source de courant continu S charge un condensateur C. L’intensité du courant est réglée par un rhéostat. Lorsque le condensateur est chargé une étincelle se produit entre l’électrode et la pièce, le condensateur C se vide.

Fig. 6

Lorsque l’étincelle éclate, elle établit une liaison de faible résistance entre l’électrode et la pièce. La courbe de décharge du condensateur à la forme suivante :

On dit qu’elle est « oscillante ». Dans ce cas, l’usure due à l’étincelle affectera aussi bien la pièce que l’électrode. Pour augmenté la résistance, on plonge l’ensemble électrode + pièce dans un liquide isolant. Le condensateur aura une courbe de décharge de cette forme :

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Le circuit à impulsions (Fig. 7) Une source S fournit un courant continu à une électrode (-) et une pièce (+). On positionne, entre la source S et la pièce, un interrupteur I et une self L.

Fig. 7

Quand l’interrupteur I se ferme, l’étincelle jaillit. En régulant l’ouverture + fermeture de l’interrupteur, on espérait maîtriser la cadence de l’étincelage. Or les étincelles ne s’établissent pas de façon instantanée. Elles ne peuvent éclater qu’en fonction de l’état du diélectrique et de l’espace entre la pièce et l’électrode (gap). Ce décalage entre l’ouverture + fermeture de l’interrupteur et le claquage de l’étincelle entraîne un états de surface et un enlèvement de matière irréguliers.

Le circuit à impulsions auto-guidées (Fig. 8) De manière a mieux maîtriser la production des étincelles, on a créé un nouveau circuits qui tient compte de l’état du gap.

Fig. 8

La mise en place d’un capteur sensible au passage du courant entre l’électrode et la pièce a permis une production d’étincelles plus régulières et homogènes sur toute la surface. L’enlèvement de matière, les états de surface ainsi que la longueur de l’étincelle sont maîtrisés et améliorés.

Les paramètres électriques et leurs influences La polarité : On définit toujours la polarité d’usinage par la polarité à laquelle est raccordée l’électrode. Elle varie selon la nature des matériaux en présence. Le niveaux d’intensité : l’intensité de l’étincelle. Les générateurs disposent de plusieurs niveaux d’intensité allant de 0.65A à 400A. les plus courant allant jusqu'à 25A.

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Le temps d’impulsion : C’est le temps effectif de passage du courant pendant une décharge. Le temps d’intervalle entre les étincelles : Cette variable correspond à une durée pendant laquelle la tension est nulle entre l’électrode et la pièce.

Pour résumer : -Avec un courant de faible intensité, on a une capacité d’enlèvement de matière réduite, et inversement, avec un courant de plus forte intensité on a un grand volume d’enlèvement de matière mais une usure de l’électrode plus importante. -Le temps d’impulsions est également un paramètre très important. Avec une petite durée on aura une usure d’électrode croissante. Inversement, avec une plus grosse durée, une usure plus faible de l’outil. -Il a été constaté qu’on obtenait un grand enlèvement de matière et une faible usure de l’électrode en réduisant la durée d’intervalle entre les étincelles. -Pour ce qui est de l’intensité de l’étincelle, elle influera directement sur la rugosité de la surface usinée. Faible intensitéÆ rugosité réduite ; Forte intensitéÆ grosse rugosité.

4- UN OUTIL : L’ELECTRODE Dans le coût d’un usinage en électro-érosion, le prix des électrodes représentent une part nonnégligeable. Il est donc important de choisir avec soins les matériaux qui seront utilisés ainsi que les méthodes de fabrication des électrodes et leur nombre. Pratiquement tous les métaux conducteurs d’électricité peuvent être employés, avec plus ou moins d’avantages. Ceux qui ont le plus haut point de fusion et la plus faible résistivité électrique seront privilégiés. On distingue principalement deux grandes familles : Les matériaux métalliques :

-cuivre électrolytique -cuivre au tellure ou au chrome -cuprotungstene -tungstene à l’argent

-alliage d’aluminium -laiton -tungstene pur (fil) -acier

Electrode en cuivre électrolytique 9

Les matériaux non-métalliques : -les graphites

Electrode en graphite

Nous nous attarderons principalement sur les électrodes en cuivre et en graphite, qui sont les plus répandues.

Electrode en cuivre Le cuivre est le matériaux le plus répandu dans la fabrication d’électrodes. Ce sont ces caractéristiques « électriques » qui le rendent attractif. Masse volumique : 8.96 g/cm³ Point de fusion : 1083°C Résistivité électrique : 0.0167 Ω.mm²/m Sa capacité à être usiné facilement est également un avantage : Déformation par chocs Déformation lente : fabrication d’électrodes présentant des détails fins (ex : médailles,…) Usinage traditionnel : Lubrification importante pour éviter que le copeau ne colle a l’outil. Extrusion, Filage ou Etirage : Electrodes à profils et sections constante. Métallisation : Electrodes tri-dimensionnelles. Ce procédé n’est plus utilisé car il engendrait des électrodes poreuses qui présentaient un taux d’usure très élevé. Galvanoplastie : Electrodes tri-dimensionnelles à détails fins ou grosses électrodes de forme, principalement dans l’automobile.

Electrode en graphite Le graphite a comme principal atout, par rapport au cuivre, sa densité qui est beaucoup plus faible et qui réduit considérablement le poids des électrodes. Mais également son prix, qui le rend très économiques. Une électrode en graphite de faible densité permettra un taux d’enlèvement de matière plus importants que des graphites a forte densité, par contre, l’usure volumétrique est plus faible sur ces derniers. La finesse des grains constituant le graphite à également sont importance. En effet, ceux sont eux qui influeront directement sur l’état de surface final de la pièce. La capacité des graphites à être usinées facilement est également un point fort : Usinage traditionnel : c’est là que les graphites présentent leur plus gros avantage. En effet, les vitesses de coupe et d’avance beaucoup plus élevées rendent possibles la confection d’électrode dans des temps 5 à 10 fois inférieur à une même électrode fabriquée en cuivre. Petit inconvénient : Les graphites étant abrasifs, les outils en acier rapide doivent être souvent réaffûtés.

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Inconvénients des graphites : -Elles sont abrasives. Des précautions sont a prendre pour protéger les coulisses des machines-outils. -Formation de poussière pendant l’usinage nécessitant une installation d’aspiration. -Les électrodes en graphite sont fragiles. Soin particulier a prendre lors de la fabrication, notamment sur les angles. -Ils se comportent relativement bien lors de l’étincelage, cependant, ils ne peuvent pas etre utilisés avec les générateurs a relaxation. -Il y a un risque de décharges anormales (inexistant avec une électrode métalliques).

Géométrie des électrodes

On distingue deux types d’électrodes (Fig. 9) : - Les électrodes générant un profil et pour lesquelles seul le jeu latéral d’étincelage est fonctionnel. - Les électrodes engendrant une empreinte et pour lesquelles le jeu frontal d’étincelage est également fonctionnel.

Fig. 9

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Exemples de mouvements d’électrodes et profils engendrés

5- LES DIELECTRIQUES On rencontre sur le marché une grande diversité de liquides diélectriques. Chacun présente plusieurs qualités et inconvénient :

L’eau L’eau dé-ionisée n’est utilisée comme diélectrique que pour les micro-usinages et sur les machines découpant au moyen de fils-électrodes.

Les hydrocarbures Les huiles les plus utilisées comme liquide diélectrique sont les huiles minérales. Celles qui donnent les meilleurs résultats sont très pauvres en aromates et ne contiennent que peu ou pas d’additifs. La viscosité de l’huile est importante. Une huile de haute viscosité ne convient pas pour des opérations de finition car, à ces régimes, les gaps sont très petits et un liquide visqueux circule difficilement entre l’électrode et la pièce. Par contre, en ébauche, le rendement d’usinage est meilleur avec une huile épaisse. Le point-éclair du diélectrique a la même importance. Un liquide dont le point-éclair est trop bas a tendance à se vaporiser facilement et à dégager une grande quantité de gaz gênant le déroulement de l’usinage.

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Le pétrole Le pétrole, de par sa viscosité très basse, convient très bien pour les opérations de finition et de super-finition. Il est recommandé lors de l’usinage du carbure de tungstène qui s’usinent avec des décharges de courte durée. Les pétroles utilisés en étincelage sont désodorisé et désaromatisé. Pour le choix du diélectrique, voici les usages habituels : Pour usinage de carbure de tungstène :

Pétrole

Pour usinage de très petites pièces à états de surfaces fin (horlogerie) :

Pétrole

Pour usinage de pièces moyennes et Grosse (finition entre CH21 et CH35) :

Huile de viscosité 6-12 cst

Pour usinage de grosses pièces (finition à CH36 et plus grossier) :

Huile de viscosité 12-20 cst

Le diélectrique sera choisi en fonction du genre d’applications rencontré le plus fréquemment sur la machine.

L’arrosage En électro-érosion, l’évacuation des « copeaux » est très important. Au début de la phase d’usinage, le diélectrique est « propre », c’est à dire, exempt de particules érodées et de résidus carbones ; sa résistance électrique est importante. Les particules créées par les premières étincelles réduisent la résistance du diélectrique, permettant ainsi aux décharges suivantes de se développer plus facilement. Cependant, si la densité de particules devient trop importantes en certain points du gap, il en résulte une diminution de la résistance, facilitant la formation de décharge anormales qui peuvent dégénérer en arcs électriques et venir endommager la pièce et l’électrode a des endroits non voulus. Pour éviter ces désagréments, on arrose la pièce de manière a évacuer les particules érodées.

Arrosage par injection

Fig. 10

Fig. 11

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Dans le cas de la Fig. 10, la pièce est monté pré-percée sur un pot raccordé aux système d’injection de diélectrique Sur la Fig. 11 c’est l’électrode qui est percée, le diélectrique étant injectée à travers elle. Dans les deux cas, les particules remontant le long de la pièce vont provoquer des décharges latérales qui auront pour effet d’obtenir des usinages « coniques ». Cet effet peut être voulu dans le cas de pièces nécessitant une légère dépouille (non maîtrisée).

Arrosage par aspiration

Fig. 12

Fig. 13

Le liquide est aspiré soit sous la pièce (Fig. 12), par le pot, soit par l’électrode (Fig. 13). Cette méthode permet d’éviter les remontées de particules le long de la pièce et ainsi d’obtenir un orifice sans dépouille.

Arrosage par balayage latéral

Fig. 14

Ce mode d’arrosage est utilisé lorsqu’il est impossible de prévoir un perçage dans l’électrode ou dans la pièce.

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L’utilisation d’une buse, parfaitement orienté (Fig. 14), permet le balayage de la totalité de la surface de la pièce et l’évacuation des particules.

6- LA PIECE Dans ce chapitre nous étudierons tous les avantages de l’électro-érosion liés à la pièce, à savoir : Les matériaux usinables, le bridage sur la machine, les formes possibles, les états de surface, la simplification des gammes d’usinage, les temps d’usinage, etc…

Les Matériaux et leur dureté Nous avons déjà vu, dans le chapitre 2, que tous les matériaux conducteurs d’électricité peuvent être usinées (métaux, alliages, carbures, graphites, etc…), et ce, sans aucune limite de dureté. L’usinage de métaux très durs en traditionnel entraîne souvent des risques de casse d’outils (Fig. 15), alors que ce type de matériaux est tout à fait envisageable en électro-érosion (Fig. 16).

Fig. 15

Fig. 16

L’avantage réside à usiner des pièces ayant subit un traitement thermique pour augmenté leur dureté telles que les matrices d’outils de découpe, les empreintes de moules d’injection, etc…

Mise en position de la pièce L’absence d’efforts mécaniques abolit le problème d’usure des outils traditionnels et garantit ainsi une précision absolue des cotes, quel que soit le nombre de pièces à usiner. Dérive des cotes en usinage traditionnel

Après 100 pièces

Après 1000 pièces

Dérive des cotes en électro-érosion

Après 1000 pièces

Pour maintenir la pièce en place lors de l’usinage, l’absence d’efforts mécaniques abolit également les systèmes de fixation complexes et longs a mettre en œuvre de l’usinage traditionnel.

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Les formes possibles L’évolution de la commande numérique, notamment des logiciels de FAO, permet de réaliser les formes les plus complexes en électro-érosion. Particulièrement en découpe au fil où il n’existe aucune limite de profil. En usinage traditionnel, le fraisage d’un trou carré est limité par le rayon de la fraise alors que ce type de forme est très facile à mettre en œuvre en électro-érosion.

Pas d’angles vifs possibles en traditionnel

En électro-érosion, aucune difficulté pour les angles vifs

Profil complexe réalisé en découpe par fil

Les états de surfaces Les états de surfaces dépendent directement de la matière de l’électrode et, surtout, de la dimension des étincelles. Si elles sont énergiques, l’état de surface sera grossier, par contre, la vitesse d’usinage sera rapide. Inversement, si elles sont faibles, l’état de surface sera fin, mais la vitesse d’usinage sera lente. Les électrodes en graphite à grains fins obtiennent de meilleurs résultats au niveau de l’état de surface. Les états de surface les plus fins peuvent atteindre un Ra de 0.10. Le résultat est proche du poli d’un miroir. Un état de surface standard en électro-érosion avoisine les 0.8µm.

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La réduction de la gamme d’usinage La qualité instantanée des états de surfaces engendrés permet d’éviter la multiplication des étapes successives de l’usinage traditionnel. En électro-érosion, plusieurs séquences d’usinage sont regroupées en une seule phase, la pièce n’est usinée que par un seul outil et sur une seule machine.

Electro-érosion

La même pièce en usinage traditionnel

L’autonomie des machines Une fois programmée, une machine d’électro-érosion ne nécessite pas la présence permanente d’un opérateur. Sur des machines traditionnelles, comme les centres d’usinage, le niveau d’automatisation est élevé, mais les risques de casse d’outils et de destruction de pièces rendent leur surveillance indispensable. En théorie, une machine d’électro-érosion peut usiner 24h/24 et 7j/7, soit 4 fois plus qu’une machine conventionnelle. En pratique, 2 à 3 fois plus suffisent pour créer des conditions de rentabilité et d’amortissements intéressantes.

7- AVANCEES TECHNOLOGIQUES L’électro-érosion a ouvert de nouveaux horizons en matière de technologie de fabrication. L’ensemble de ses spécificités permet d’intervenir dès la conception des pièces et d’imaginer non seulement de nouveaux usinages, mais aussi d’affecter à la pièce de nouvelles caractéristiques destinées à l’améliorer. De plus, la constante amélioration du procédé (nouveaux matériaux pour les électrodes, machines plus rapide et moins coûteuses, maîtrise des paramètres électriques et des étincelles, etc…) fait sortir les machines d’électro-érosion des ateliers d’outillage pour concurrencer l’usinage traditionnel (notamment le découpage par fil qui tend à remplacer le fraisage).

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Ces avancées permettent au procédé de s’ouvrir sur de nouveaux domaines d’application tels que les microsystèmes, les pièces optiques, la médecine (réalisation d’implants médicaux et d’instruments pour la chirurgie oculaire).

Des innovations au delà des limites Charmilles technologies, leader mondial des machines à électro-érosion, ne cesse de faire progresser ses machines. En voici quelques exemples : La roboform 350/550 qui permet d’obtenir un état de surface de 0.2µm tout en permettant un gain de temps de 40% et une réduction de l’usure de l’électrode de 50%. Elle intègre également « PILOT-EXPERT », une nouvelle fonctionnalité qui surveille et optimise le procédé en tenant compte continuellement des conditions d’usinage (de jour comme de nuit), il permet un fonctionnement sans opérateur et assure une parfaite reproductibilité des travaux. Autre fonctionnalité, « POWER CONTROL EXPERT » qui agit au niveau de la maîtrise de chaque étincelle pour en assurer une très bonne homogénéité des surfaces usinées. La robofil 2030SI-TW à deux fils. Cette machine est la seule au monde à permettre la commutation automatique entre deux fils de diamètres différents et cela en moins de 45s. La robofil 240/440, machine destinée à la réalisation d’outils de découpe ou de moules d’injection. Elle permet l’usinage de pièces très épaisses allant de 220 à 400mm. La roboform 20ZNC qui, avec son bac de 815x500x300, reçoit des pièces pesant jusqu'à 500Kg. La tête peut recevoir des électrodes pesant jusqu'à 60kg.

Des innovations dès la conception Ce porte moyeu de Formule 1, qui était constitué de 10 morceaux préalablement usinés indépendamment, puis soudés entre eux au moyen d’un gabarit de montage très précis, nécessitait un temps total de fabrication de 57 heures.

Aujourd’hui, par électro-érosion, il est réalisé en un seul bloc, et ne nécessitent que 40 heures de fabrication. En outre, la pièce est plus légère : sa fabrication en un seul bloc la rendant encore plus résistante, ses parois ont pu être amincies, et l’usage du titane, qui est très facile à découper en étincelage mais difficile à travailler en usinage conventionnel, a diminué le poids global de la pièce.

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Le fil et ses avancées Ce procédé progresse toujours ! mais la technologie de base est restée la même : une seule étincelle à la fois, un liquide isolant pour l’essentiel. Les améliorations qui ont porté sur la polarité, la fréquence, l’amplitude, le temps de travail, le temps de repos, ont permis d’optimiser le temps de découpe. En ce qui concerne les états de surface, le phénomène d’électrolyse a été maîtriser grâce à l’apparition des générateurs anti-électrolyse, offrant ainsi de meilleures qualités en découpage. Les vitesses d’usinage ont également subit une avancée considérables grâce, notamment, à de nouveaux générateurs d’impulsions permettant d’obtenir des débits de 300mm³/mn. Lors d’un salon des nouvelles technologies on a même vu, en proposant une nouvelle forme d’impulsions de courant, un générateur permettre un débit de 400mm³/mn (Robofil 240cc permettant des angles de dépouilles de 30°). Pour atteindre ce niveau de débit, on utilise un fil de 0.33mm de diamètre possédant une âme en cuivre entourée d’une couche de zinc servant de bouclier thermique. L’âme du fil, peu échauffée, permet de travailler avec des fréquences de décharges plus élevées, donc plus rapidement. Pour ce qui est du diélectrique, l’huile, en assurant des étincelles plus courtes que dans l’eau, permet l’obtention d’une excellente rugosité (Ra 0.4) et une excellente précision (± 0.002mm) tout en protégeant les pièces contre l’oxydation. Pour assurer d’excellents résultats (états de surface, précision des cotes, temps d’usinage, etc…), de l’ébauche à la finition, certaines machines offrent sur un même équipement le bi-fil. Ces machines bi-filaires disposent de deux types de fils s’échelonnant le plus souvent entre 0.02 et 0.2mm de diamètre.

Etincelage contre usinage traditionnel Bien sur, la fabrication de moules et d’outillage reste le domaine de prédilection de l’électroérosion. La possibilité de découper des pièces déjà trempées et ne nécessitant plus d’opérations complémentaires de rectification en sont les principales raisons. En revanche, la découpe par étincelage (principalement le fil) se révèle, dans certains cas (pièces prototypes, petites séries) plus rentable que les procédés « classique », comme le fraisage. Un simple problème de bavure inaccessible sur une pièce de forme complexe peut amener également le constructeur a choisir l’électro-érosion. Dans le domaine de l’aéronautique, où les pièces sont souvent fabriquées dans des matériaux durs et « exotiques » (inox, aciers alliés, titane,…) la consommation importante de fraises peut aussi faire basculer le choix du fabricant vers le découpage par fil. L’intérêt du procédé par enfonçage, dans le domaine de la mécanique générale, est en revanche, moins flagrant. En effet, les vitesses d’usinage n’ont guère évolué ces dernières années et la fabrication d’électrodes spécifiques à chaque campagne reste également un inconvénient de poids face au fraisage. Néanmoins, des formes bien particulières, mais pas toujours complexes, peuvent rendre l’enfonçage compétitif. C’est le cas des trous carrés, ou, plus généralement, des profils de pièces nécessitant des rayons de quelques dixièmes de millimètres. Dans tous les cas, le calcul des coûts d’exploitation d’une machine d’enfonçage doivent tenir compte d’autres paramètres que le seul temps d’usinage. La forte automatisation de ce genre de machine et la fiabilité du procédé peuvent rendre l’enfonçage concurrentiel face au fraisage.

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De la macro à la microélectro-érosion : une pas de plus vers la nanofabrique Les spécialistes en robotique de l'EPF Lausanne collaborent avec des chercheurs de la société AGIE (en français: SA pour électronique industrielle) afin de produire une installation miniature d'usinage par étincelage (électro-érosion), adaptée à la fabrication de pièces d'une précision submicrométrique. Ce projet, auquel participe également la société Heidenhain (Suisse) SA, bénéficie du soutien accordé au programme TOP NANO 21. Le passage de la macro à la microélectro-érosion pour produire des pièces inférieures à 2 mm, requiert toutefois une adaptation des éléments de la machine à usiner par érosion. "La production de composants petits et très précis tels que les microsystèmes, les pièces optiques, les implants médicaux ou les instruments pour la chirurgie oculaire exige une précision d'usinage que l'on ne peut atteindre actuellement avec l'EDM (electrodischarge machining). Ce manque de précision s'explique par les masses mobiles importantes qui conduisent à des fréquences naturelles basses, à des défaillances dynamiques et à des déformations statiques", explique le professeur Reymond Clavel, directeur du Laboratoire de Systèmes Robotiques (LSRO) de l'EPF Lausanne. M.Jean-Philippe Bacher, doctorant, collaborateur scientifique du projet, présente une séquence de film mettant en évidence les mouvements du Robot DELTA3II, spécialement conçu pour les recherches sur l'EDM d'ultra haute précision. Les courses en x, y et z sont chacune de 4 mm et les résolutions, de 5 nanomètres.

C'est la raison pour laquelle, dans un projet soutenu par TOP NANO 21, le LSRO se propose de mettre en place une structure mécanique de haute performance, satisfaisant aux exigences de précision et de dynamique de la microélectro-érosion et permettant d'optimiser ce processus au point de vue de la précision, de la vitesse et de la rugosité des surfaces. Ces recherches ont pour but de réaliser une installation EDM miniature. "Une très petite machine que l'on peut placer dans une nano-cellule de fabrication isolée et qui présente de nombreux avantages tels qu'encombrement réduit à atmosphère contrôlée, par exemple pour des gaz spéciaux, sous vide, sous pression et / ou à atmosphère exempte de particules de poussière. Elle permet en outre de réduire les vibrations, de renforcer la stabilité thermique et d'abaisser les coûts d'exploitation. Grâce à ses faibles dimensions, l'installation EDM miniature requiert nettement moins de liquide diélectrique, ce qui ménage l'environnement, tout en abaissant le risque d'incendie".

Une "passerelle" entre l'université et l'industrie La société AGIE CHARMILLES est le partenaire industriel qui s'engage dans ce projet. Avec ses machines d'électro-érosion, AGIE est le leader de la fabrication d'outils et de moules. Il s'agit d'un groupe international, occupant 3400 personnes réparties sur plus de 50 sites, présent dans le monde entier et réalisant un chiffre d'affaires de 1,2 milliard de francs suisses. Le chef de la recherche d'AGIE, M. Ivano Beltrami, déclare: "Dans le domaine du micro-usinage, quelques segments de marché exigent des performances qui arrivent aux limites de la technologie actuelle de l'EDM. Une diminution d'échelle de la technologie conventionnelle n'est pas toujours possible. La participation au projet TOP NANO 21 nous permet de réaliser un immense progrès." D'ailleurs, les relations d'AGIE avec l'EPF Lausanne s'inscrivent dans une longue tradition; ainsi M. Cédric Joseph, ingénieur de développement à la société AGIE, a entamé dernièrement son travail de doctorat chez le professeur Clavel sur le thème de la microérosion et de la nanoérosion.

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Le professeur Reymond Clavel présente un autre produit du LSRO, le robot parallèle Sixtiff. Le théodolite et plusieurs capteurs optiques intégrés à l'installation permettent de contrôler en laboratoire la précision des différents mouvements.

La Société Heidenhain (Suisse) SA participe également au projet. "Comme producteur d'appareils de mesure nanométrique, le groupe Heidenhain travaille depuis plusieurs années sur les structures nanométriques", explique M. Martin Ruf, directeur. "En effet, pour pouvoir mesurer 1/10 µm, il faut une résolution inférieure à 1/100 µm. Mais nous cherchons maintenant à atteindre des dimensions encore plus faibles. L'équipe du professeur Reymond Clavel nous permet d'accéder à de nouvelles connaissances issues de la recherche fondamentale. C'est sous le signe du transfert de technologie que nous avons déjà invité ses doctorants à visiter notre centre de recherche de Traunreut, dans le sud de la Bavière."

But: une résolution au niveau du nanomètre L'objectif technologique de TOP NANO 21 constitue un réel défi, car le changement radical dans la précision des mouvements exige des améliorations fondamentales dans le technique de mesure, la fabrication des électrodes, et le contrôle du processus EDM. De nouvelles stratégies de mesure et de contrôle permettront de positionner de façon dynamique l'électrode-outils par rapport à la pièce à usiner et de mesurer cette dernière directement sur l'installation EDM. Le processus de formation de l'étincelle doit aussi être adapté, afin de limiter drastiquement la production de forces parasites, ce qui permettra de tirer pleinement parti de l'avantage des mouvements de résolution nanométrique. AGIE et Heidenhain étudient la technique de mesure, la fabrication des électrodes et les aspects du processus; les résultats obtenus influenceront le stylisme des machines de demain. Le robot parallèle de haute précision Sixtiff disposant de six degrés de liberté, est conçu pour l'alignement actif de composants optiques montés en surface. Un exemplaire de ce robot est actuellement en service dans l'entreprise Leica Geosystems à Heerbrugg (SG).

Dans une première phase, l'équipe de l'EPFL a conçu une petite installation d'usinage par étincelage, à trois degrés de liberté. Elle dispose d'un espace de travail de 64 mm3 (4 x 4 x 4 mm3) et a une résolution linéaire de 5 nm seulement. Dans une deuxième phase, les chercheurs ajouteront deux degrés de liberté pour les mouvements rotatifs, avec une plage de déplacement angulaire de ± 5º. Une cinématique parallèle avec des paliers flexibles assure une rigidité élevée, un jeu nul et les propriétés dynamiques nécessaires à la haute précision recherchée. Il s'agit là d'un modèle perfectionné du robot parallèle DELTA développé par l'équipe du professeur Clavel: l’organe terminal de la machine est relié au bâti par plusieurs chaînes cinématiques; les moteurs peuvent être fixés au bâti. Ainsi la masse en mouvement est très faible et permet des accélérations très élevées. L'augmentation de la rigidité et la réduction des masses en mouvement assurent des fréquences naturelles supérieures à 500 Hz.

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Renforcer la position sur le marché grâce à l'innovation L'objectif déclaré des partenaires au projet est de s'assurer des avantages concurrentiels sur le marché grâce à un maximum d'atouts innovateurs. "Aussi bien AGIE que ses concurrents développent à ce jour des machines d'une précision de plus en plus grande, soit d'environ 0,5 µm dans un espace de travail limité", explique le chercheur Jean-Philippe Bacher, impliqué dans ce projet. "La résolution de 5 nm, respectivement la précision de 20 nm, atteinte est d'un ordre de grandeur supérieur à celui des meilleures machines actuellement disponibles sur le marché. Cette performance, nous l'obtenons au moyen de concepts de design absolument inédits dans le domaine de l'EDM, tels que cinématique parallèle, paliers flexibles et construction monolithique". L'équipe de l'EPFL a accordé une importance particulière à la fabrication d'électrodes d'un rapport longueur / diamètre élevé. Les premiers tests avec des prototypes de longueur allant jusqu'à 2800 µm et de diamètre jusqu'à 45 µm sont très prometteurs. M. Beltrami, chef de la recherche d'AGIE, y voit encore un autre avantage: "Les chercheurs de l'EPFL nous ont proposé de nouvelles unités de mouvement mécaniques. L'utilisation de paliers flexibles qui permettent de très petits mouvements, dénués de frottement et d'usure, sans hystérésis, ouvrent de nouvelles perspectives dans le micro-usinage. Et quels en sont les résultats concrets? "Deux échantillons susceptibles d'être érodés ont été réalisés avec succès. Des unités de contrôle pour des mouvements précis sont en cours de développement. D'autres tests d'érosion vont se faire, ayant pour but d'évaluer les limites de la micro-technologie EDM." Les travaux de recherche ne sont pas encore achevés, mais les résultats obtenus montrent que les partenaires sont sur la bonne voie. "La nanofabrique est un concept de production axé sur les produits de haute technologie qui nécessite des mouvements à résolution nanométrique. Comme les pièces à usiner sont de petite taille, le travail peut se faire dans un espace restreint", explique le professeur Clavel. "Cela permet d'abaisser considérablement les coûts en énergie, en gaz spéciaux et en dispositifs de protection. La production est ainsi plus flexible et plus proche des exigences du marché. Avec ses coûts réduits, son infrastructure légère, ses installations aisément démontables et sa proximité du marché, la mini-installation EDM répond bien aux besoins de l'industrie." Le savoirfaire de la Suisse en matière de miniaturisation et de haute précision ainsi que son rôle de pionnier des nano-sciences, donnent à ce projet un potentiel considérable pour les dix prochaines années.

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AGIE CHARMILLES, leader dans le domaine de l’électro-érosion depuis 1954 Les brevets déposés dans le domaine de l'électroérosion, qui dépassent largement la centaine, font d'AGIE le leader mondial en matière de systèmes d'étincelage. Voici quelles ont été les étapes les plus marquantes dans la «saga» de cette entreprise de pointe: 1954 Fondation de la société AGIE à Bâle en Suisse. Première machine d’usinage en plongée AGIETRON.

1955

Série de modèles avec générateur a circuit oscillant.

1956

Lancement de la fabrication à Losone/Tessin

1963

Générateurs d’impulsions statiques.

1969

Première machine de découpage par étincelage AGIECUT à commande numérique.

1970

Erosion planétaire.

1973

Découpage conique par étincelage avec arrosage coaxial.

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1975

Fondation de sociétés commerciales en Europe, aux Etats-Unis et en Extrême-Orient.

1978

Inondations catastrophiques des usines AGIE de Zandone et de Losone.

1979

Enfilage automatique.

1981

Asservissement adaptatif en enfonçage.

1984

Coupe conique avec têtes inclinables.

1987

Commande de contournage avec compensation automatique du gap.

1988

Achat de la firme ELOX, le plus important fabricant américain de machines d’électroérosion.

1991

Programmes experts AGIE EXPERTRON et AGIE EQUIMODE.

1992

Système de mesure et de correction de la position du fil AGIEPILOT. Programmation complète AGIESOFTJP.

1993

Système asservi d’optimisation et de contrôle du processus d’étincelage AGIE FUZZYTRON. Générateurs HSS et HSF.

1996

Système de découpage par étincelage AGIECUT EVOLUTION avec générateur AGIEHSS et nouvelle surface opérateur révolutionnaire AGIEVISION. Intégration d’AGIE dans le groupement industriel GEORG FISCHER sous la houlette de la société portefeuille AGIE CHARMILLES Holding. Intégration de la Sté INTECH EDM dans la Holding AGIE CHARMILLES.

1997

Intégration de la Sté MECATOOL dans la Holding AGIE CHARMILLES. Série de machines d’enfonçage AGIE MONDO STAR avec axe C intégré, EQUIMODE et systèmes d’amenée des électrodes. Système d’enfonçage par étincelage AGIETRON INNOVATION avec cycles planétaires SPACETRACK et nouvelle surface opérateur de conception révolutionnaire AGIEVISION.

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1999

Systèmes de découpage par étincelage AGIECUT CHALLENGE et AGIECUT EXCELLENCE avec générateur AGIEHSSC et nouvelle surface opérateur AGIEVISION.

2000

Système d’enfonçage par étincelage AGIETRON ADVANCE avec soubassement en granit polymère.

2001

Système d’enfonçage par étincelage AGIETRON IMPACT et AGIETRON EXACT avec générateur AGIE IPG et nouvelle surface opérateur AGIEVISION.

2002

Système de découpage par étincelage AGIECUT VERTEX avec double entraînement du fil et surface opérateur AGIEVISION, conçu pour usinages les plus fins avec haute précision.

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2003 Système de découpage par étincelage AGIECUT PROGRESS : la machine la plus rapide du monde avec le 500mm³/mn de vitesse et la réduction des temps non productifs.

2004 Systèmes d’enfonçage par étincelage AGIETRON HYPERSPARK et AGIETRON HYPERSPARK EXACT avec nouveau générateur et contrôle de l’étincelage pour un rendement maximal.

Impact d’une étincelle sur la pièce vue au microscope électronique. Le deuxième impact est celui fait avec les nouvelles générations de générateurs HYPERSPACK.

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8- LEXIQUE Lazarenko : Enfonçage :

Couple de savants Russe qui, en 1943, utilisèrent l’effet destructeur d’une étincelle pour usiner des métaux. Procédé d’électro-érosion consistant à reproduire dans une pièce la forme d’une électrode préalablement usinée au bon profil.

Découpage par fil : Procédé d’électro-érosion consistant à découper dans une pièce un contour préalablement programmé. Générateur :

Elément constitutif d’une machine d’électro-érosion. C’est lui qui va convertir le courant en impulsions rectangulaires.

Etincelle :

Arc électrique provoqué par le rapprochement de l’électrode et de la pièce.

Canal d’ionisation : Etape qui précède la formation de l’étincelle lors du rapprochement de l’électrode vers la pièce. C’est une colonne cylindrique composée de fluide vaporisé et de particules en fusion. Cratère :

Impact laissé par une étincelle sur la pièce.

Niveaux d’intensité : Puissance de l’étincelle. Agit directement sur la vitesse d’enlèvement de matière. Temps d’impulsions : Temps effectif de passage du courant pendant une décharge. Agit directement sur l’usure de l’électrode. Temps d’intervalle : Durée pendant laquelle la tension entre l’électrode et la pièce est nulle. Agit directement sur le rapport enlèvement de matière/ usure de l’électrode. Electrode :

Unique outil de l’électro-érosion. Fabriquée dans un matériaux conducteur de courant, c’est elle qui, en se rapprochant de la pièce, participera à la création des étincelles.

Gap :

Distance entre l’électrode et la pièce. Plus grande en ébauche, on aura tendance à se rapprocher de la pièce au moment de la finition.

Diélectrique :

Liquide permettant de faciliter la création de l’étincelle et l’évacuation des particules métalliques érodées.

Arrosage :

Evacuation des particules érodées par injection ou aspiration de diélectrique au niveau du gap.

Dépouille :

Surface présentant un léger angle. Elle permettent le démoulage en injection ou l’évacuation des chutes en découpe.

Bi-fil :

Technologie présentent sur les machines les plus récentes. L’utilisation de deux types de fils différents (diamètre, matière) permet d’assurer les résultats de l’ébauche à la finition.

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