Les nouveaux matériaux et nouveaux process

dans les microtechniques

Le ZOOM est l’animation phare de MICRONORA. Au fil des éditions, il met en avant des thèmes qui anticipent ou valorisent des évolutions technologiques dont les acteurs des microtechniques auront besoin rapidement et qu’ils auront intérêt à prendre en compte dans leurs réflexions stratégiques.

Pour illustrer ces transitions, nous disposons de panneaux didactiques, de vidéos, de pièces, d’un espace de conférences mais aussi de démonstrations en live qui sont très attractives pour les exposants et les visiteurs.

LES NOUVEAUX MATÉRIAUX

Les matériaux sont cachés derrière l’écran !

Les nouveaux matériaux sont essentiels dans toute évolution mais, ils sont « derrière l’écran ». Ils permettent de répondre aux attentes du client final de gagner en productivité, en poids, en résistance mais on ne les remarquera pas car on ne s’intéressera qu’au produit final et pas aux conditions dans lesquelles il a été réalisé.  Innovations, transition écologique (bilan carbone), mobilité (allègement), miniaturisation (résistance), les nouveaux produits ne sont obtenus que grâce à de nouveaux matériaux ou de nouvelles façons d’utiliser des matériaux déjà connus. Le développement de nouveaux matériaux correspond aux objectifs de nombreuses applications de pointe grâce à leurs propriétés avantageuses et à l’inventivité des chercheurs.

Dans la pratique, l’offre de nouveaux matériaux ne va pas assez vite pour répondre aux besoins de nouvelles fonctions et les freins principaux concernent la construction du modèle économique qui n’est pas toujours au rendez-vous.

Le thème est très vaste car chaque famille de matières premières peut donner lieu à la création de nouveaux alliages aux caractéristiques spécifiques et performantes. Un choix était donc nécessaire car un descriptif complet est impossible et nous avons donc privilégié pour le ZOOM les matériaux durs métalliques et certains alliages.

Le coup de projecteur sera donné sur les matériaux durs et sur les nouveaux process prioritairement destinés aux acteurs des microtechniques et nous ne parlerons pas, par exemple des nouveaux polymères.

Les pièces qui seront présentées mettront principalement en avant les applications dans l’horlogerie, le médical, et dans l’industrie de la précision.

Les alliages métalliques amorphes

Connus depuis plusieurs dizaines d’années, les alliages métalliques amorphes (AMA) sont dotés d’une structure désordonnée plutôt que cristalline. Appelés aussi verres métalliques, ils sont obtenus par un refroidissement très rapide depuis l’état fondu. La combinaison d’un état métallique et d’une structure amorphe assure une association unique de propriétés mécaniques, électriques et magnétiques. Des atouts intéressants pour des applications à haute valeur ajoutée : boîtiers extra-fins de téléphone cellulaire, scalpels, boîtiers de montres, faces de frappe de club de golf, raquettes de tennis, battes de baseball.

La société française Vulkam a réussi l’industrialisation de ces matériaux hors normes. Baptisés Vulkalloys, ses alliages amorphes sont adaptés à de nouvelles applications en micromécanique en permettant la production des pièces miniatures aux propriétés sans équivalent. Depuis sa création en 2017, la start-up grenobloise propose une gamme de huit alliages à base de Nickel, Niobium, Zirconium ou de Cuivre. Les Vulkalloys sont particulièrement adaptés à la fabrication des composants centimétriques ou millimétriques pour l’horlogerie, le médical, la micromécanique générale, l’aéronautique et bien d’autres encore. Chaque formulation dépend des propriétés visées (résistance mécanique, au frottement, à l’usure ou à la rayure, tenue en fatigue, flexibilité, amagnétisme, résistance à la corrosion, biocompatibilité, etc.). Les instruments de microchirurgie ou dentaires créés avec les Vulkalloys répondent aux défis des fabricants de dispositifs médicaux : amélioration de l’ergonomie et des performances des instruments, grande précision du geste chirurgical, invasivité faible, grande durabilité des instruments. De plus, ces alliages sont deux fois plus résistants que l’alliage médical de référence (TA6V), ce qui permet la réalisation de pièces jusqu’à deux fois plus petites. Le procédé de thermomoulage Silicium mis au point par Vulkam permet la réalisation en série de pièces millimétriques à micrométriques d’une très grande précision. Avec la possibilité d’ajouter des zones fonctionnelles sur les instruments de microchirurgie, sans surcoût. Le procédé permet la fabrication de préformes au plus proche de la géométrie finale pouvant ensuite être usinées (découpe laser ou électroérosion) et/ou optimisés.

Sur le ZOOM, Vulkam présentera des pièces qui illustrent ces technologies et des démonstrations comparatives des propriétés des Vulkalloys avec un test d’un banc d’essais (de flexion 3 points) comparatif Vulkalloys / Acier Inox / Titane et un démonstrateur de rebond de billes en Vulkalloys / bille acier.

Les Cermet

Spécialisée dans la métallurgie des poudres, la société Sintermat propose un procédé original : le frittage Flash ou frittage SPS (Spark Plasma Sintering). Les poudres sont agglomérées sous l’effet simultané d’une forte impulsion électrique et d’une charge uni axiale (de l’ordre de 200 mégapascals). Ce qui permet d’obtenir sans usinage, des pièces complexes de grande résistance et à haute densité telles que des dents, cannelures, profils, etc. La densification de poudres et matériaux peut atteindre des vitesses généralement 10 à 100 fois plus élevées que celles des techniques de frittage traditionnelles. Le procédé assure la synthèse de matériaux massifs, innovants, originaux, à microstructures contrôlées, et ce, pour des coûts modérés. C’est l’une des seules technologies qui permet de produire des matériaux avec des microstructures sans grossissement des grains et avec un taux de densification voisin de 100 %.

Sur le ZOOM, Sintermat exposera des pièces significatives réalisées notamment en Cermet, Zircone ou en céramique.

Les céramiques

Certaines entreprises spécialisées dans la fabrication additive, proposent de nouvelles solutions céramiques. Les qualités de la céramique technique sont connues : grande résistance mécanique, stabilité dimensionnelle élevée, faible densité, très grande résistance à l’abrasion et à la corrosion, stabilité chimique exceptionnelle. Des performances recherchées dans des industries comme le biomédical, l’aérospatial, le luxe… Des propriétés adaptées aux applications d’usinage qui nécessitent une haute qualité de surface, la stabilité dimensionnelle et des tolérances serrées comme les opérations de finition fine, la finition et l’ébauche de l’acier, du métal fritté et de la fonte ductile.

Sur le ZOOM, le Groupe IMI, Nanoe (céramiques imprimées en 3D), FEMTO ST exposeront des pièces intéressantes et une imprimante 3D.

Les carbures

L’institut FEMTO-ST par l’intermédiaire de la plateforme MIFHySTO dispose d’une expertise dans le domaine des procédés de micro fabrication mécanique et en particulier sur le micro usinage (micro fraisage, décolletage, μEDM, …). Le projet d’usinage des carbures et des céramiques s’inscrit dans le contexte de la réalisation de composants à très fortes valeurs ajoutées pour l’ensemble du secteur des microtechniques. Ces matériaux très durs sont utilisés pour la réalisation d’outillages à hautes cadences. Les matériaux céramiques sont employés pour leur dureté très élevée aussi bien dans l’outillage que dans des applications pour le luxe, la santé, l’énergie et les transports.

Ce projet vise à développer les technologies d’usinage des matériaux carbures et céramiques par l’intermédiaire d’un procédé avancé : l’usinage par micro-usinage à l’outil coupant (micro fraisage).

L’arrivée sur le marché d’outils permettant d’augmenter la productivité, de réaliser des composants de formes complexes et à surfaces fonctionnelles est une opportunité pour les acteurs industriels des microtechniques.

Le projet est ainsi décomposé selon les axes suivants :

– Le développement du micro fraisage de matériaux très durs (carbures de tungstène et céramiques) par la définition d’une méthodologie spécifique à l’usinage de ce type de matériau (outils, lubrification, stratégies d’usinage) en s’appuyant sur les équipements de la plateforme MIFHySTO de l’institut FEMTO-ST.

– La métrologie des composants réalisés sur ce type de matériau et de leur intégrité.

L’objectif de ce projet est de faire progresser la technologie issue de FEMTO-ST du TRL 6 à TRL 8/9.

Sur le ZOOM, la démarche complète réalisée par FEMTO-ST sera présentée avec une vidéo associant la machine-outil utilisée et les outils ad-hoc et l’exposition de pièces réalisées.

Les autres matériaux

D’autres matériaux durs seront présentés avec des applications particulières comme le diamant (Diamfab), le cristal (Cristalinnov), l’impression 3D d’aimants (Bbfil avec l’Institut Jean Lamour)…

LES NOUVEAUX PROCESS

De nombreux nouveaux process apparaissent actuellement ou se développent entre un stade expérimental et un développement commercial important. Le critère de sélection reste, pour le ZOOM, leur intérêt ou leur potentiel pour l’univers des microtechniques. Il y en aura 3 présentés avec des démonstrateurs sur le ZOOM 2022.

L’usinage par ultrason

Cette technologie permet l’usinage des matériaux très durs comme les céramiques, verres, carbures de tungstène, silicium, et autres pierres précieuses par abrasion. Unique en son genre, l’outil monté sur une sonotrode permet l’usinage d’angles vifs et de poches rectangulaires sans aucun congé de raccordement. Les états de surface sont maitrisés par la granulométrie de l’abrasif utilisé. Une machine d’usinage ultrasonore est développée par la société REALMECA en partenariat avec la société Microcertec et l’Onera.

La machine sera présente sur le ZOOM pour réaliser des pièces (Dimensions maximum des pièces à usiner : 100x100x100 mm).

La micro-usine

L’ENSMM et la Haute École de l’ARC (HE-ARC Ingénierie) s’allient pour imaginer et expérimenter ensemble de nouvelles approches de processus de production. Ils présenteront un nouveau concept de micro-usine modulaire, connectée et autonome.

La fabrication additive par Binder Metal Jetting

Le Centre Technique des Industries Mécaniques (CETIM) est très impliqué dans la fabrication additive à travers sa participation au programme 3D START PME pour accompagner les PME dans la découverte de la fabrication additive. Le Centre collabore activement à l’Additive Factory Hub à Saclay qui réunit grands groupes, PME et laboratoires de recherche, à l’initiative de la Région Ile-de-France, autour de cette thématique et développe ses propres travaux ainsi que plusieurs UPDP « Unité Pilote à Dispositif Partagé » pour permettre aux industriels de tester la fabrication additive avant de s’équiper. Ce dispositif s’applique à la technologie MBJ (Metal Binder Jetting) dont l’imprimante et des pièces seront présentées sur le ZOOM.

Le MBJ présente en effet de nombreux atouts pour devenir une technologie majeure dans les années à venir. Aujourd’hui, il propose une productivité significativement supérieure aux technologies par fusion (laser ou faisceaux d’électron). En outre, la qualité des pièces à l’issue du process nécessite moins de reprise que les technologies par fusion. Enfin, la productivité actuelle et potentielle à l’avenir est aussi bien meilleure grâce à la possibilité de couvrir l’ensemble du lit de poudre avec plusieurs têtes d’impression – sans pour autant augmenter excessivement le coût de l’équipement contrairement aux buses laser. Le procédé est aussi moins exigeant en matière de conditions de production : pas besoin d’atmosphère contrôlée, travail à température ambiante donc le volume de la chambre de fabrication n’a pas de limite théorique.

UN APERCU DES SOCIETES ET ORGANISMES PRESENTS SUR LE ZOOM

(Liste non exhaustive)

BBFIL

Magneto 3D est né de la collaboration entre l’Institut Jean-Lamour (IJL UMR CNRS – Université de Lorraine) et BBFil. Le procédé Magneto 3D de BBFil met en avant une innovation mondiale dans le domaine de la fabrication additive : la première imprimante 3D de fabrication directe de pièces magnétiques (aimants 3D). Les aimants sont imprimés à partir de son nouveau filament Magneto et de son imprimante 3D spécifique permettant de créer une aimantation à orientation contrôlée directement lors du processus d’impression de l’objet.

CRISTAL INNOV est une plateforme technologique spécialisée dans les cristaux et procédés innovants. Co-fondée par un consortium d’industriels et de laboratoires académiques en 2011 et installée dans un bâtiment de haute technologie en Savoie, elle a 2 activités principales s’adressant tant aux industriels qu’à la R&D.

1/ développer et produire des cristaux stratégiques et des composants à forte valeur ajoutée :

  • application spatiale : synthèse hydrothermale de quartz de très haute qualité et mise en forme de wafers pour des oscillateurs ultra stables
  • application design de luxe : production et mise en forme de décoration design sur mesures à partir de cristaux de synthèse (CRYSTALITE)

2/ héberger des projets de R&D et des lignes pilotes :

  • industriel : la start-up Zadient développe à Cristal innov un procédé innovant de synthèse du cristal de carbure de silicium (ou SiC) destiné au marché des véhicules électriques
  • académique : l’Institut Lumière Matière travaille dans un four installé à Cristal innov sur la synthèse d’un saphir de très grande dimension pour une nouvelle génération d’interféromètre visant à détecter les ondes gravitationnelles

DIAMFAB synthétise du diamant pour l’industrie du semi-conducteur. Ses produits vont être au cœur d’innovations majeures dans l’énergie grâce à des performances électriques supérieures, une efficacité record et une forte compacité. De la voiture électrique jusqu’au futur réseau haute tension en passant par les avions hybrides ou les batteries pour l’IoT, le diamant sera le passage obligé pour l’électrification de notre société. Le savoir-faire de la start-up DIAMFAB repose sur près de 30 ans de travaux de recherche menés au CNRS sur la synthèse et le dopage de couches minces de diamant.

Elle présentera sur le Zoom ses wafers à haute valeur ajoutée en diamant ainsi que des composants électroniques réalisés sur ces derniers.

L’ENSMM (École Nationale Supérieure de Mécanique et de Microtechniques)

Implantée à Besançon sur TEMIS (Technopole Microtechnique et Scientifique), l’ENSMM est une école publique d’ingénieurs généralistes et pluridisciplinaires habilitée par la CTI (Commission des Titres d’Ingénieurs). Fortement axée sur les systèmes mécatroniques et les microsystèmes, elle accueille chaque année environ 800 élèves en formation initiale, par apprentissage ou continue lesquels sont formés par 150 enseignants et enseignants-chercheurs.

Co-tutelle de l’Institut FEMTO‐ST (Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique – Sciences et Technologies), laboratoire de recherche de renommée internationale, l’école célèbre cette année ses 120 ans et au printemps crée la marque SUPMICROTECH. Elle se dote en parallèle d’une nouvelle identité visuelle destinée à accompagner son ambition d’être l’école d’ingénieurs de référence pour la formation et la recherche dans le domaine des microtechniques et des microtechnologies en Europe, tout en réaffirmant le rôle majeur qu’elle joue sur l’attractivité socio-économique du territoire régional.

L’École est totalement impliquée dans la réussite du ZOOM avec certains de ses étudiants qui participent à son animation.

L’institut FEMTO-ST est une unité mixte de recherche dont la spécificité est d’associer les Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication avec les Sciences pour l’Ingénieur. Plusieurs plateformes qui en dépendent seront présentes sur le ZOOM de MICRONORA :

Il s’appuie, notamment, sur la centrale de micro-nanotechnologies MIMENTO (membre du réseau CNRS RENATECH) qui permet la fabrication de structures tridimensionnelles en polymères photosensibles par une technique d’impression 3D de haute résolution allant de la gamme submicronique (10-6m) à l’échelle millimétrique (10-3m) à l’aide d’un laser femto-seconde utilisant la polymérisation à deux photons.

La plateforme MIFHySTO est impliquée, dans l’usinage du carbure de tungstène et avec la plateforme Surface dans un projet européen autour de revêtements durs. Elle développe de nouvelles technologies de micro-fabrication mécanique, de fonctionnalisation de surface et d’hybridation avec des procédés de type salle blanche pour la réalisation de composants dont les dimensions ou les détails caractéristiques se situent à l’échelle submillimétrique.

Le Groupe IMI, une histoire autour des matériaux dans un monde de microtechniques.

Depuis des décennies, au travers de ses différentes filiales (CHEVAL-FRERES, HARDEX ou encore STETTLER SAPPHIRE), le Groupe IMI a développé et utilisé des matériaux techniques répondant aux besoins de ses marchés :

  • Les métaux techniques (titane, inox 316LS…) amenant légèreté, robustesse dans le temps et ténacité
  • Les céramiques denses (zircone, alumine…) pour leurs propriétés de dureté, de résistance aux environnements contraints ou encore de durabilité
  • Les céramiques cristallines transparentes (saphir, rubis, spinelle…) avec des qualités optiques incomparables et une dureté extrême
  • Et maintenant les nouvelles générations de matériaux aux propriétés augmentées comme les cermets (mélange céramique/métal) permettant une amélioration de la ténacité par rapport aux céramiques en conservant une dureté hors du commun. Les avantages de chaque matériau en « gommant » les faiblesses de chacun.

Cette dernière génération de matériaux amène une nouvelle ouverture pour repousser des limites jusque-là infranchissables.

NANOE, fondée par 3 ingénieurs en 2008, est une société française spécialisée dans l’élaboration et la production de matériaux hautement innovants. L’entreprise produit de la poudre céramique de haute qualité pour les industries de pointe telles que le secteur de l’aérospatiale, du biomédical ou encore des semi-conducteurs. Forts de leurs connaissances et de leur savoir-faire dans le domaine de la céramique, Nanoe lance en 2018 la marque Zetamix : les premiers filaments céramiques et métalliques accessibles à tous.

REALMECA, constructeur de machine-outil de super précision depuis 1962, équipe les ateliers de fabrication des plus grandes marques internationales dans les secteurs de l’horlogerie, de la joaillerie, optique, médical, micromécanique, électronique, aérospatial et automobile.

REALMECA attache une importance toute particulière à :

  • Répondre à des besoins de fabrication de pièces mécaniques.
  • Proposer les solutions performantes et complètes d’usinage.
  • Accompagner le client dans ses réalisations et la formation de son personnel.

SINTERMAT est une start-up en forte croissance qui réconcilie technologie, industrie et environnement. À partir de matières industrielles et naturelles, elle conçoit des matériaux inédits à haute performance pour les secteurs du luxe, de l’emballage, de l’aéronautique/défense, de l’outillage industriel. Grâce à son agilité expérimentale et à la maîtrise à l’échelle industrielle du Frittage Flash (SPS) et de technologies connexes, elle crée pour ses clients des solutions d’économie de matière et de recyclage pour une gestion durable et responsable des ressources.

L’UIMM de Franche Comté a conçu « la Fabrique 4.0 » une Unité Mobile de Formation dédiée à la découverte et à la valorisation des métiers de l’industrie ainsi qu’à la montée en compétence des acteurs de l’industrie 4.0.

Elle comprend, sur 60m², une zone de fabrication additive, une ligne de production usine du futur, une ligne de production virtuelle, une zone de projection 2D/3D – RA/RV et une connexion internet.

Elle se déplace dans la région pour aller à la rencontre des jeunes pour montrer la variété, la technologie et l’attractivité des métiers proposés par l’industrie.

La Fabrique 4.0 sera installée à proximité du ZOOM de MICRONORA et sa visite sera proposée aux visiteurs.

VULKAM industrialise des métaux aux propriétés extraordinaires. Les Vulkalloys représentent une nouvelle classe d’alliages métalliques qui possèdent des propriétés physiques et mécaniques exceptionnelles grâce à une structure atomique unique. Ils sont moulables comme du plastique, 3 fois plus résistants que les alliages de Titane, amagnétiques et résistants au frottement, 40% plus légers que la fabrication en alliages d’aluminium, plus résistants à la corrosion que les aciers inox et inrayables, et enfin, ils sont 5 fois plus performants que les aciers. Ils représentent ainsi un futur standard de la métallurgie, au service de la micromécanique et de ses enjeux d’économies de ressources et de matières premières.