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LES EXPLOITS DE LA MICROM ÉCANIQUE

Mirel Scherer

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LES EXPLOITS DE LA MICROM ÉCANIQUE

Ce microrobot à architecture parallèle Delta, destiné à la fabrication de microsystèmes, développe des accélérations jusqu'à 98 m/s2.

© D.R. / Getty

La fabrication de microproduits ne cesse de surprendre. Des microcomposants aux micromécanismes, les solutions innovantes se multiplient. En attendant les premières micro-usines...

Stimulée par les besoins de plus en plus importants de l'industrie, la micromécanique est en effervescence. Les quelques exploits que nous présentons dans ce dossier l'illustrent. Mais ce n'est qu'une petite partie de ce qui se prépare dans les différents centres européens de recherche appliquée dans le domaine de la micromécanique.

Berceau de cette industrie - et par ailleurs capitale du pôle de microtechniques -, Besançon (Doubs) compte une kyrielle de structures dédiées. La maison des microtechniques, par exemple, située dans le technopôle Temis, dispose entre autres d'une salle blanche de 350 m2 et d'un centre consacré aux nouvelles technologies d'usinage. L'incubateur de Franche-Comté pour sa part a déjà donné naissance à trois entreprises dans ce domaine. En plein développement, le parc d'activités Temis abrite également l'Institut Femto-ST (Franche-Comté électronique, mécanique, thermique et optique - sciences et technologies). Ce dernier fédère cinq laboratoires de l'Université de Franche-Comté, de l'Université de technologie de Belfort-Montbéliard et de l'ENSMM (École nationale supérieure de mécanique et des microtechniques) qui sont associés au CNRS et collaborent avec le Laboratoire européen en Suisse.

Une région qui génère de multiples projets

Superbement équipé, l'institut possède une vaste panoplie quasi complète de moyens de microfabrication : usinage par faisceau d'ions focalisé (FIB), usinage chimique, photolithographie, etc. Des moyens qui ont permis à ses ingénieurs de développer, dès 2003, les premiers mouvements horlogers intégrés sur silicium.

Aujourd'hui, l'institut est engagé avec le pôle de microtechniques dans plusieurs projets innovants comme Ultrasur, qui se propose d'étudier le vieillissement d'origine thermique et mécanique. Le but : concevoir des transducteurs ultrasonores de haute intensité plus fiables, destinés à la thérapie cellulaire et au traitement de surface sélectif. Autre projet, Dionysos vise le développement de nouvelles structures de transducteurs à ondes de surface pour les filtres RF destinés à la téléphonie sans fil.

L'institut travaille étroitement avec le Centre de transfert en micro et nanotechnologies (CTMN). Créée depuis deux ans, cette plate-forme dédiée aux microtechniques réalise des microcomposants et des micromécanismes qui seront produits à grande échelle et met ces technologies à la disposition des industriels. Les entreprises, surtout les PME qui ont peu de moyens, profitent ainsi du potentiel technologique et humain de haut niveau du centre.

La micromécanique est aussi scrutée avec minutie au Laboratoire d'automatique (LAB) de l'Institut de productique de Besançon dont les équipes travaillent d'arrache-pied à la mise au point de nouvelles solutions. Des recherches sont menées en collaboration avec des industriels, comme le projet de micro-assemblage. Il a réuni pendant quatre ans plusieurs spécialistes du domaine comme Festo. Éléments indispensables pour ces applications de micromécanique, les micro-actionneurs sont sous la loupe du groupe Microrobotique du LAB. « La fonctionnalité majeure d'un microrobot est de générer des mouvements avec une résolution nanométrique à l'aide d'actionneurs de très petites dimensions [submillimétriques] », précise Philippe Lutz, chercheur au LAB et professeur à l'ENSMM de Besançon. Le laboratoire étudie ainsi les matériaux dits actifs pour réaliser ces micro-actionneurs. Parmi les réalisations du laboratoire figurent des actionneurs en alliage à mémoire de forme, en polymères actifs, piézo-électriques...

Les micro-usines ont un bel avenir

Autre domaine de recherche du laboratoire bisontin : la mise au point de systèmes de manipulation téléopérés comme les outils de micromanipulation. « Nous avons conçu une table de positionnement XYZ à faible coût, une micropince piézo-électrique et un système de téléopération par nanolevier », explique Philippe Lutz qui souligne aussi l'intérêt des solutions intégrées. « Les micro-usines, à savoir des systèmes de production dont la résolution se mesure en nanomètres et qui englobent dans un volume réduit tous les éléments pour la fabrication des microproduits, auront sans doute un bel avenir », relève-t-il. Adaptées au micromonde, elles réduisent les coûts et la consommation énergétique, sont portables et peuvent s'insérer dans un environnement contrôlé. « Ces micro-usines feront merveille dans la fabrication des produits spécifiques dont l'assemblage manuel actuel est peu productif et offre un fort potentiel d'automatisation », ajoute l'expert. Des produits ayant une durée de vie très courte et nécessitant une réorganisation constante du système de production. Exemples : assemblage de lentilles d'endoscope, de produits horlogers de luxe, de systèmes hybrides (Mems et micromécanique)... Philippe Lutz est convaincu, en outre, que « cette approche innovante permettra de maintenir ou de relocaliser ces types de production en Europe ».

De l'autre côté de la frontière, en Suisse, le professeur Jacques Giovanola, directeur du Laboratoire de conception de systèmes mécaniques (LCSM) approuve et signe. « Nous pensons que les micro-usines connaîtront un développement accéléré », affirme le responsable du LCSM. « Mes contacts en Corée-du-Sud et au Japon confirment d'ailleurs l'importance de ce concept pour le futur de la production en micro- et nanotechnologie. » Une approche qui sera, selon l'expert suisse, l'un des thèmes poursuivis dans le projet européen Manufuture, en cours de lancement actuellement.

De la microfabrication au microlaboratoire

Plusieurs autres laboratoires de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) s'activent ainsi dans le domaine de la micromécanique. « Notre école constitue un centre fédérateur de compétences dans ce domaine en collaboration avec l'Institut de microtechnique de l'Université de Neuchâtel et avec le CSEM », confirme le professeur suisse. Le laboratoire étudie activement les procédés de microfabrication non conventionnels comme le microfraisage à haute vitesse, assisté ou non par ultrasons ou le micro-usinage par ultrasons. « Nous nous intéressons également à la mise au point des procédés comme la pyrolyse sélective de céramiques poreuses, le rayage et l'indentation des semi-conducteurs et à leur modélisation », explique Jacques Giovanola.

Ces usinages nécessitent des outils et outillages d'une nouvelle race, de véritables systèmes mécatroniques de mise en oeuvre des procédés. Le laboratoire travaille ainsi à l'élaboration de microbroches d'usinage à très haute vitesse (plus de 300 000 tr/min), à des glissières/paliers hydro- et aérostatiques, des systèmes de serrage de micro-outils, d'une commande de systèmes à haute précision et haute vitesse, etc.

Les exploits de la micromécanique ne manquent pas non plus dans les autres pays européens. On pouvait le constater à la Foire de Hanovre 2006 sur le stand de l'association internationale IVAM qui regroupe des sociétés et des instituts de recherche spécialisés dans les micro- et nanotechnologies. La société britannique Tecan a mis au point des microstructures capables de filtrer des matériaux avec une tolérance de deux micromètres. On peut ainsi séparer les particules de poudre de diamant utilisée dans l'usinage.

Un laboratoire d'analyse biologique sur une puce : c'est l'exploit réalisé par la société hollandaise LioniX qui a mis au point un microlaboratoire pour la mission ExoMars prévue en 2011.

Enfin, l'Institut Fraunhofer apporte lui aussi sa pierre à l'édifice micromécanique avec ses réalisations dans le domaine du micromoulage des métaux par injection (µ-MIM), le microsoudage avec des lasers à fibre...

SOMMAIRE

1. Agenhor Des dents élastiques pour rattraper les jeux d'engrenages Page 60 2. Micromotion Un actionneur nanométrique ultrasimple Page 61 3. µUSM Des petits trous usinés par ultrasons Page 62 4. CSEM Un microrobot Delta Page 63 5. Flowdit Des microvalves pour l'aérodynamisme des véhicules Page 64 6. Silmach Un micromoteur en silicium pour les appareils nomades Page 65 7. Xitact Un simulateur plus vrai que nature Page 66 8. Bartels Mikrotechnik Une micropompe de faible coût Page 67 9. Klocke Nanotechnik Une micro-unité de production Page 68

COMMENT CONSTRUIRE SA LIGNE DE MICROPRODUCTION...

La fédération des industries mécaniques allemande (VDMA) présentait à la Foire de Hanovre 2006 une ligne de fabrication de microsystèmes. Plusieurs partenaires industriels proposaient en grandeur nature leurs solutions dans les domaines de la fabrication, de la logistique, du contrôle de la qualité, de la gestion, etc. Ainsi, la plate-forme automatisée d'IMSTec met en oeuvre des modules interconnectés qui assurent le transport des palettes de fabrication, Feinmess Dresden et LPKF Motion & Control proposent des systèmes de positionnement rapides et ultraprécis, Klocke Nanotechnik intègre ses éléments de nanorobotique dans un système de fabrication pour la microproduction, FRT offre des solutions de contrôle-mesure adaptées à la microproduction...

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