Une meilleure qualité optique et une plus grande précision géométrique

Lorsqu'un matériau est traité avec de courtes impulsions lumineuses, il se produit ce qu'on appelle de la fumée, qui est extraite le mieux possible pendant le traitement. Cependant, en raison de l'immense énergie cinétique des particules de matière, il reste sur les pièces des particules résiduelles qui ne peuvent pas être simplement éliminées à l'aide d'air comprimé. Toutefois, les exigences minimales de tolérance pour la géométrie et la rugosité des composants ne peuvent être respectées que si le processus de fabrication est optimisé et que la surface réelle est évaluée. Les exigences en matière de saleté résiduelle qui s'appliquent à la fabrication moderne exigent donc une technique de nettoyage robuste et répétable pour les microcomposants fabriqués par des procédés laser. "Même une petite différence de précision géométrique avant et après le nettoyage peut avoir un impact sur la fonctionnalité des composants qui nécessitent de faibles tolérances", explique Anton Pauli, directeur général de GFH GmbH, expert en micro-usinage laser. En outre, ces résidus agissent comme des particules d'usure ou - selon le domaine d'application - peuvent causer des dommages, par exemple en bouchant les papillons des systèmes d'injection.

Les essais de feuilles fournissent des informations sur l'effet des ultrasons
Comme aucun procédé de nettoyage n'a permis de résoudre ce problème jusqu'à présent, le fabricant de machines en série et le fabricant sous contrat GFH, qui s'efforce en permanence d'améliorer l'ensemble de la chaîne de processus, en a pris la cause en main. "S'il n'y a pas de connaissances spécialisées disponibles sur un sujet, nous le développons. Car pour réussir le micro-usinage laser, chaque étape doit être résolue de manière optimale", explique M. Pauli, qui expose la philosophie de son entreprise. Le procédé de nettoyage par ultrasons étant le mieux adapté aux pièces produites par micro-usinage laser, les procédés suivants ont été mis au point

La base de l'analyse est d'abord ce qu'on appelle les tests de fleurets. Les trous déchirés dans la feuille d'aluminium placée dans la cuve permettent de tirer des conclusions sur la répartition et l'intensité de l'effet des ultrasons. "L'évaluation a révélé des différences significatives, qu'il était important de connaître afin de réaliser l'étude suivante dans des conditions cohérentes, mais aussi pour obtenir le meilleur effet possible dans l'utilisation quotidienne", explique Barbara Schmid, responsable des enquêtes au GFH. "Nous avons ainsi pu vérifier très fondamentalement la fonctionnalité du bassin de nettoyage et placer l'élément à nettoyer de manière optimale dans chaque cas".

L'algorithme détecte les différences minimales de propreté
Pour l'étude ultérieure des paramètres, deux séries de 200 pièces chacune ont été produites avec la machine de micro-usinage laser GL.compact développée par le GFH : une en acier inoxydable et une en laiton. Ces deux matériaux ont été choisis parce que l'acier inoxydable est utilisé très fréquemment et que le laiton a tendance à se décolorer et à causer un certain nombre d'autres problèmes lors du nettoyage. Les composants avec une longueur d'arête de 5 mm, de petites incisions et un trou avaient tous la même géométrie, de sorte que la contamination était la même et que les résultats étaient donc comparables. La fréquence, la température, le milieu de nettoyage et de rinçage, le niveau de remplissage, la concentration des produits chimiques, la durée du nettoyage proprement dit ainsi que du rinçage et du séchage ont été identifiés comme des facteurs d'influence pertinents, mais des accessoires ont également été pris en compte, tels que divers récipients dans lesquels sont placées de petites pièces qui pourraient autrement être perdues.

"Tous les paramètres ont été examinés et évalués individuellement, et nous avons également validé la propreté sous le microscope", rapporte M. Schmid. "Afin de pouvoir montrer même les plus petites différences, un algorithme d'évaluation spécial a été développé et appliqué. Cette méthode repose sur différentes procédures de traitement des images : les images du microscope ont d'abord été converties en niveaux de gris. Afin de pouvoir distinguer les zones avec un frottis laser - reconnaissables par des traces sombres - du reste du composant, une valeur seuil a été sélectionnée, et les pixels sombres ont été extraits et comptés. "Pour une meilleure interprétation, nous avons classé ces valeurs sur une échelle, selon laquelle un composant directement après traitement, qui avait un nombre correspondant de points d'image sombres, était classé comme propre à 0 %. La valeur théorique de 100 pour cent correspondait donc à un composant sans pixels sombres, c'est-à-dire sans aucune contamination", ajoute M. Schmid.

Optimisation du processus par l'évaluation des paramètres
Pour des résultats optimaux, le milieu de nettoyage doit être dégazé au moins 10 minutes avant de commencer la procédure. Un milieu légèrement acide convient généralement au laiton, tandis qu'un milieu alcalin convient à l'acier inoxydable. Il convient de noter qu'en raison des températures élevées pendant le nettoyage, une partie du liquide s'évapore. "C'est pourquoi le niveau de remplissage doit être vérifié régulièrement et ajusté si nécessaire, car un niveau de remplissage trop faible ou trop élevé réduit la performance de nettoyage", explique M. Schmid. Si des pièces très délicates sont nettoyées, il est recommandé d'utiliser des béchers en verre ou des filets en plastique comme récipients. Les pièces plus robustes doivent être nettoyées dans un panier en acier inoxydable.

Les températures comprises entre 45 et 65 °C donnent les meilleurs résultats - selon le temps de nettoyage - car, en raison de la cavitation ultrasonique, les températures augmentent également avec le temps. Les améliorations sont maximales après 15 minutes de nettoyage et 5 minutes de rinçage. Une durée plus longue, jusqu'à 45 minutes de nettoyage et 15 minutes de rinçage, ne permet d'obtenir que des améliorations mineures en comparaison. La fréquence de nettoyage optimale est la "double fréquence", qui change toutes les 30 s entre 37 et 80 kHz. Pour les objets de grande taille ou si plusieurs pièces sont nettoyées, il est avantageux d'activer le mode "balayage". Si la contamination est très tenace, le mode "impulsion" peut conduire à une amélioration. Le pré-nettoyage n'est nécessaire que s'il y a de l'huile ou d'autres graisses sur les composants. Lors du rinçage, un additif de protection contre la corrosion ainsi qu'un agent mouillant contribuent à améliorer le séchage ultérieur.

Un processus de nettoyage optimisé devient la norme
L'application des connaissances acquises a permis d'améliorer la propreté de 74 à plus de 95 % pour la série en acier inoxydable. "Contrairement aux autres méthodes de traitement, les lasers n'utilisent pas d'huile, de liquide de refroidissement ou de graisse, ce qui a également un effet sur la contamination qui en résulte. Nous avons constaté que le principal problème jusqu'à présent était que le processus de nettoyage n'avait été adapté qu'au matériau, mais pas au processus d'usinage précédent", résume M. Schmid pour résumer la situation initiale. Afin d'optimiser les processus internes d'usinage au laser et d'obtenir une amélioration visible de la qualité pour les clients ainsi qu'une plus grande précision géométrique, des mesures ont été mises en œuvre progressivement depuis juin 2016 pour faire du processus amélioré une norme au sein de la GFH. Si d'autres matériaux entrent en jeu dans un nouveau projet, le processus de nettoyage sera également adapté en conséquence. La réaction des clients à l'ensemble des mesures d'usinage et de nettoyage a été très positive.