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4. Les microcontrôleurs scrutent l'infiniment petit

Thomas Blosseville

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- Les propriétés micrométriques, voire nanométriques, des pièces manufacturées sont décisives pour leurs performances. Le développement d'outils de mesure adaptés devient crucial.

Imperceptible, le micron ? Pas pour tous. Destinée à l'origine aux laboratoires, la micromesure a conquis l'industrie au prix de multiples défis. Dans la mécanique, l'automobile, le médical, l'horlogerie ou l'électronique, c'est à l'échelle du micromètre, voire du nanomètre, que se scrutent désormais l'efficacité et la précision. Face à des contraintes techniques accrues, les spécialistes développent des solutions de mesure spécifiques. Plus que jamais, la protection aux perturbations provenant de l'environnement s'avère essentielle. D'autant que les instruments doivent associer à cette infime précision une intégration rapide aux lignes de production.

Les besoins sont nombreux ! Il s'agit bien sûr de concevoir des mécanismes miniaturisés. Le système UMAP Vision System du japonais Mitutoyo utilise par exemple un stylet de diamètre 30 microns, auquel des vibrations piézo-électriques sont transmises. Quand ce palpeur entre en contact avec une pièce (automobile, médical...), l'amplitude des oscillations diminue, permettant la mesure de trous de 125 microns de diamètre sur 2 mm de profondeur.

Éviter les bruits de mesure

Mais certaines problématiques vont encore plus loin. C'est le cas de la caractérisation des matériaux. « Dans les ateliers, il existe deux raisons majeures d'analyser l'état de surface d'une pièce », affirme Serge Carras, le président d'Altimet. Pour des considérations esthétiques : l'application de peinture, par exemple, doit être homogène. Dans le packaging notamment. « Sur une tôle laminée à froid pour l'automobile, le contrôle de texture permet là aussi de vérifier les tolérances pour un rendu visuel haut de gamme », confirme Anne Calvez, la gérante de Nanojura. Mais surtout, les performances globales de la pièce dépendent directement des propriétés de sa surface : rugosité, adhérence, dureté, frottement... C'est le cas pour les risques de fuite dans un injecteur, le déclenchement d'un disjoncteur ou l'adhésion des implants dentaires.

« Notre grand défi porte sur la sensibilité au bruit environnant, comme celui provenant d'éventuels jeux mécaniques de la machine », juge Anne Calvez. Pour y parvenir, sa société Nanojura mise sur la technologie confocale chromatique. Ses profilomètres reposent sur l'émission d'un rayon de lumière blanche, sa diffraction, puis sa réflexion sur la pièce à contrôler. En retour, une longueur d'onde spécifique est détectée. De sa mesure, est déduite la distance séparant le capteur optique et l'échantillon test, donc la rugosité de la surface. L'opération est répétable avec un écart type de 2 nm. Le balayage de la pièce en donne un profil complet.

« Pour éviter les bruits de mesure, nos capteurs sont en général fixes. Les échantillons se déplacent sur des tables dont les mouvements doivent être le plus rectiligne possible », révèle Anne Calvez. En l'occurrence, lors d'une translation de 100 mm, leur amplitude est réduite à 500 nm. Et même à 80 nm, pour des machines de très haute précision, grâce à l'ajout d'un interféromètre sous le support de l'échantillon.

L'américain Agilent Technologies propose quant à lui des microscopes à force atomique pour la caractérisation des polymères, des composites et même des matériaux en solution liquide (comme bactéries et tissus dans les sciences du vivant). « En jouant évidemment sur les designs mécanique et électronique, mais aussi sur l'installation d'une chambre isolant des vibrations, nos appareils mesurent des échantillons de 100 micromètres par 100, jusqu'à moins d'un nanomètre », annonce Craig Wall, responsable produit chez Agilent. Quand la structure du matériau est suffisamment régulière, comme dans un cristal, ils peuvent alors distinguer individuel-lement les atomes du matériau.

La précision ne suffit pourtant pas. « Sur ce point, il existe des appareils plus performants que les nôtres. Nous préférons jouer aussi sur la possibilité d'utiliser un même produit du laboratoire à la ligne de production », nuance Serge Carras, d'Altimet. Sa société propose comme Nanojura des instruments à optique confocale chromatique, une technique peu sensible à la température, aux vibrations, aux variations des champs magnétiques... Dans les applications industrielles, la facilité de mise en oeuvre est un critère de choix majeur. Tout comme l'est la réduction du temps de formation des opérateurs. Au premier trimestre de l'année, Altimet a donc sorti Phénix V2, la deuxième version de son architecture électronique et logicielle pour ses profilomètres. Pour faciliter la prise en main, la nouvelle interface homme-machine a été voulue plus standardisée et plus intuitive, avec davantage de graphiques et un enchaînement très visuel des états de mesure.

« Nous avons ajouté plusieurs fonctions avancées », continue Serge Carras. Le suivi de formes 3D, par exemple, permet de garder une résolution fine sur de longs profils, comme pour les prothèses médicales. De nouvelles librairies standards de com-munication, vers les capteurs optiques, augmentent la rapidité de mesure. Ou encore, le cloisonnement renforcé, entre des menus réservés aux programmeurs et ceux plus restreints dédiés aux opérateurs, évite les déréglages intem- pestifs.

Pour observer l'apparition de fissures

Autre volonté des fabricants : fournir de plus en plus d'informations avec un même appareil. En supplément de sa solution optique, Altimet propose déjà des machines disposant de capteurs mécaniques inductifs à contact et de capteurs faible force. CSM Instrument, issu du Centre suisse d'électronique et de microtechniques, veut quant à lui développer l'observation en direct des phénomènes physiques. L'entreprise propose des instruments pour caractériser l'adhérence des matériaux. Une pointe sphérique en diamant (1 à 200 µm de rayon de courbure) est utilisée pour rayer l'échantillon sur quelques microns de long et de quelques dizaines de microns à 20 nm d'épaisseur. La pression étant progressivement augmentée, l'observation optique permet de distinguer l'apparition d'écaillages, de fissures et autres défauts. La charge critique renseigne alors sur l'adhérence de l'échantillon, notamment pour la mécanique (outils de coupe), les cosmétiques, l'aéronautique, l'automobile... Depuis 2008, les appareils peuvent être équipés d'un interféromètre pour analyser la mesure in situ, en plaçant une caméra sous l'échantillon. Développé avec le CNRS, ce dispositif permet de voir en temps réel la flexion des pièces électroniques, la formation des films d'air pour les matériaux sol-gel... CSM travaille aussi à l'amélioration du traitement de l'image, avec une deuxième caméra, pour visualiser le fond des rayures. Et cherche à quantifier au maximum les observations (valeur de charge critique) pour faire de ses instruments des outils adaptés non seulement à la R&D, mais aussi au contrôle qualité. Quand on dit que le microcontrôle a conquis l'industrie...

COMBIEN ÇA COÛTE ?

- 50 000 euros. C'est le prix d'entrée de gamme d'un profilomètre de Nanojura ou d'Altimet pour le contrôle d'état de surface (rugosité). Le coût d'un instrument CSM pour le test d'adhérence, de frottement ou de dureté démarre à 20 000 euros. Dans tous les cas, le haut de gamme, personnalisé, atteindra quelques centaines de milliers d'euros.

UNE INTÉGRATION FACILITÉE DANS LES USINES

- L'essor de la micromesure dans l'industrie passe aussi par une miniaturisation des appareils, pour faciliter leur intégration dans les ateliers. Depuis 2008, Mitutoyo propose des montages à faible encombrement, essentiellement pour l'automobile. Avec un système breveté de règle de mesure à gravures, ces comparateurs (35 mm de largeur, contre 57 auparavant) atteignent une précision de 3 microns. Ils sont utilisés pour vérifier les épaulements (arbres à cames, boîtes de vitesse...). Protégés contre la poussière et les lubrifiants, ils ont une autonomie de 7 000 heures. Autre exemple, les profilomètres 3D optiques de Nanojura sont portables. Ils mesurent des surfaces de 25 mm par 25 mm, sur des objets de grandes dimensions, avec une répétabilité de 2 nm. Notamment pour le travail de la tôle. Ils sont équipés d'une caméra endoscopique pour visualiser la surface.

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