13 Décembre 2017  |  Technique de mesure
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 10/2017

L’usinage du verre maîtrisé

Spécialisée en ingénierie mécanique pour l’intégration d’équipements et de systèmes de haute précision, l’entreprise biennoise Posalux a mis au point une machine qui usine du verre sans altération, gardant ses propriétés de transparence. Basée sur un procédé thermochimique, elle s’appuie sur les commandes TwinCAT 3 CNC de Beckhoff, qui lui assurent cadence, intégration, flexibilité et réactivité.

Renommée depuis près de 70 ans par son savoir-faire concernant la pose industrielle de radium sur les aiguilles de montre, l’entreprise Posalux (pose de lumière) s’est longtemps focalisée sur le secteur de la bijouterie-joaillerie. Mais la micromécanique, combinant précision et fiabilité, est son credo. Ce fabricant biennois est capable de réaliser au laser, à très haute cadence, des trous d’un diamètre de 30 µm et de proposer à ses clients (95 % à l’exportation) des moyens de production «cousus main».
«Nous réalisons des projets CTI (Commission fédérale pour la technologie et l’innovation) qui nous permettent de décupler notre force de développement», relève Marco Nadalin, responsable développement de l’entreprise biennoise. De l’extérieur, celle-ci ne passe pas inaperçue, car elle se trouve à l’intersection des autoroutes à la sortie de Boujean, à l’est de la ville de Bienne.
 
Marco Nadalin (à gauche) et Cédric Goyer de Posalux devant la commande TwinCAT 3 CNC de Beckhoff Automation. (Photo ©: Roland J. Keller/High-News Sàrl)
 
 
Mise au point de produits de niche
Dans ses antres, une vingtaine d’ingénieurs et techniciens – parmi ses 120 employés – conçoivent et mettent au point des produits de niche, à savoir des machines de base spécifiques à chacune des technologies dédiées à la production de masse et adaptées aux besoins des clients, principalement dans le domaine de l’automobile et de l’électronique.
«On identifie une application pour un besoin, on développe la technologie, puis on applique le savoir-faire à d’autres», explique Marco Nadalin. Depuis plus de vingt ans, la société a notamment développé un concept et un procédé de production pour les injecteurs de moteur diesel. Pour asseoir davantage sa stature technologique, elle a structuré ses services en quatre secteurs pour quatre marchés différents: EDM, Femto-LASER, µ-Machining et SACE.
Mais tout tourne autour de ces fameux microns. «Le micro-usinage, c’est tout ce qui est inférieur à 200 µm (0,2 mm) de diamètre, avec la maîtrise de la qualité, la précision et la productivité, avec des procédés d’usinage ne générant pas de modification structurelle de la matière, in- dispensable pour des pièces soumises à de fortes sollicitations mécaniques et thermiques», résume le responsable de développement. Posalux s’est donc spécialisée dans l’électroérosion, non pas à fil, mais par enfonçage.
 
Les différents domaines d’usinage
µ-Machining(perçage et fraisage à haute cadence): c’est l’usinage conventionnel à très haute cadence, pour le perçage de circuits imprimés comportant un million de trous, par exemple. Vingt trous par seconde sont percés par broche, simultanément sur six stations. «Cela témoigne de la conception et de la maîtrise de nos machines: statique, cinématique, dynamique et thermique», déclare Cédric Goyer, responsable technologique.
Dédié aux substrats pour circuits imprimés, ce procédé est exploité dans d’autres secteurs que les cartes électroniques. «Nous sommes les premiers au monde à utiliser et exploiter de façon industrielle des broches à paliers à air à très haute fréquence», ajoute Marco Nadalin. Un projet de broche à très haute fréquence a été développé dans le cadre d’un projet CTI qui a été mené avec l’EPFL et la Haute École d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD), à Yverdon-les-Bains.
Milling.Il y a cinq ans, l’entreprise Posalux avait comme objectif d’usiner des matériaux trempés (d’une dureté < 67 HRC) et de proposer une solution de production complète, incluant l’étude et le développement d’un outil permettant d’atteindre une durée de vie extrême (> 5000 trous) et capable de faire un trou en 0,8 s, ébavurage compris. Et ce, à sec, sans huile. 

Femto-LASER: Il s’agit d’une technologie moderne, basée sur des pulsations ultracourtes (femtosecondes, 10-15 s). Tellement courtes que le transfert de la chaleur dans la matière n’a pas le temps de se faire. Selon la matière à usiner, il faut environ 1 picoseconde (10-12 s) jusqu’à ce que la transmission de chaleur se répande. Il s’agit en quelque sorte de sublimation de matière. Les ingénieurs appellent ce processus «ablation à froid», sans échauffement sur toute la matière. Le micro-cracking est inexistant et il n’y a pas ou peu de transformation structurelle de la matière et cela sans dépôt de matériau. Le tout, en usinant avec une très grande précision. Cela a permis à l’entreprise biennoise de développer son savoir-faire dans le domaine du laser, en maîtrisant le processus complet, de la conception de la machine à son exploitation.
EDM.Il s’agit d’un procédé d’électroérosion par enfonçage, permettant de réaliser des trous cylindrique ou conique inverses, notamment dans le domaine de l’injection diesel, avec des rapports de perçage (diamètre/ profondeur) de 1:12.
SACE. C’est le nec plus ultra que Posalux propose pour l’usinage de matériaux contenant de la silice (SiO2), par un procédé thermochimique. Cette technique permet d’usiner le verre sans altération de la matière, tout en gardant ses propriétés de transparence et ses caractéristiques mécaniques. «On va chauffer l’outil par la création d’étincelles (Spark), si bien que l’électrolyte (NaOH ou KOH) se trouvant autour de l’outil va atteindre une température permettant de dissoudre le verre de manière chimique. D’où son nom: procédé thermochimique», précise Cédric Goyer.
 
Stérilisable, biocompatible, de bonne transparence et chimiquement inerte, le verre est toutefois difficile à usiner. Normalement, cette opération est réalisée par le procédé de gravure à l’eau-forte, qui a l’inconvénient de nécessiter des masques pour localiser l’attaque chimique, effectuée avec de l’acide fluorhydrique, dangereux à manipuler et exigeant un environnement particulier. Toutefois, Posalux a trouvé comment faire: une technique adaptée à la demande du client, qui consiste à usiner le verre sans devoir y associer d’autres procédés. Étant donné que le verre est un matériau amorphe et que le procédé ne crée pas d’amorce de rupture, on peut l’appliquer à des composants flexibles.
Le verre offre un vaste marché: dispositifs médicaux, cadrans de montre, pièces mécaniques, électroniques (car il a une bonne résistance électrique et une bonne conductivité thermique), puces, processeurs, interconnexions, emballage, etc.
 
Contrôler la mesure de la force
Pour maîtriser sa technologie, Posalux a fait appel à la société Beckhoff. «Il nous a en effet fallu une électronique qui soit capable d’assurer la cadence du système à des fréquences suffisamment élevées. Ce fut le cas de la commande TwinCAT 3 CNC», précise Marco Nadalin. «Afin de mieux maîtriser le système et pour effectuer rapidement des opérations, il nous fallait aussi un PC approprié, notamment pour pouvoir usiner un trou cylindrique borgne ou traversant de forme conique, ou encore fraiser des canaux borgnes et réaliser une découpe de 30 µm et 4 mm d’épaisseur. Il fallait aussi que la commande soit capable de parfaitement comprendre le processus», ajoute-t-il.
Techniquement, pour usiner le verre, un matériau dur et cassant, il a fallu que l’outil ne force pas la surface, qu’il la survole, mais que le procédé électrochimique dissolve la matière. «L’électronique a dû être capable de réaliser un asservissement en force de l’axe Z, afin d’en contrôler sa valeur limite et de corriger la position de la broche», explique Cédric Goyer. En réussissant à façonner le verre sans créer de micro-craquelures ni d’amorces de rupture, Posalux souhaite multiplier son savoir-faire dans ce marché de niche.
 
Un PC industriel ouvert, souple et réactif
Intégrés dans la même architecture, les PC Beckhoff centralisent toutes les opérations de SACE et distribuent les informations, ce qui en simplifie la programmation et l’utilisation. «Le PC qu’on a choisi est plus ouvert par rapport aux autres. On peut plus facilement l’intégrer dans notre procédé», déclare Marco Nadalin. Pour l’instant, Posalux monte une seule machine SACE composée d’un module (socle principal) qui contient le PC Beckhoff. Non limité, le système prévoit une extension d’autres modules – jusqu’à douze – et de commandes CNC. «La cadence, l’intégration, la flexibilité, la réactivité au service après-vente et l’ouverture du système pour l’adapter facilement à nos procédés, ont caractérisé l’offre de Beckhoff», estime le responsable du développement.
 
Posalux SA
2504 Bienne
Tél. 032 344 75 00
 
Beckhoff Automation SA
1442 Montagny-près-Yverdon
Tél.: 024 447 27 00
www.beckhoff.ch


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