Exemple : réalisation d'un système microfluidique

Cette partie a pour objectif d'illustrer la forte dépendance qu'il existe entre la géométrie

d'un produit, le choix des procédés de fabrication et les contraintes liées au système de

production. Pour cela nous allons présenter comment se sont effectués les choix des procédés

pour la fabrication du système microfluidique réalisé en partenariat avec le LAT (Laboratory

for Alternative Technologies, Lubljanja, Slovénie).

Figure 3.7 Système microfluidique : schéma et représentation géométrique 3D (dimensions

en millimètres)

La représentation géométrique du produit que nous souhaitons réaliser est présentée

Figure 3.7. Comme il doit être produit en grande série et pour des raisons économiques, un

procédé de réplication de masse est envisagé. Le choix est fait de le réaliser par emboutissage

à chaud et les contraintes relatives à la géométrie du produit se reportent à présent sur son

outillage : il s'agit maintenant de choisir des procédés de fabrication capable de réaliser la

matrice d'emboutissage. Les procédés capables d'usiner des matériaux durs (telle une matrice

d'emboutissage) que nous avons à notre disposition sont les usinages par micro jet d'eau et

micro EDM ( Electro Discharge Machining).

L'usinage par micro jet d'eau consiste à enlever de la matière par érosion en projetant de

l'eau à haute pression (>400 MPa) sur le matériau. Compte tenu de la pression utilisée, ce

procédé peut être employé pour l'usinage de matériaux durs, tels ceux utilisés pour la

fabrication d'une matrice d'emboutissage. Le procédé disponible pour réaliser le produit

possède une buse permettant d'obtenir une largeur de jet d'eau comprise entre 0,03 et 0,8

millimètres, ce qui semble convenir pour la réalisation des motifs de la matrice. Cependant

bien qu'il soit possible de contrôler précisément le déplacement du jet d'eau dans deux

dimension, la profondeur du jet est très difficile à maîtriser. En conséquence de la perte

d'énergie du flux et des difficultés d'évacuer le liquide, la précision des formes obtenues n'est

acceptable que sur une profondeur limitée des rainures usinées. L'état de surface et la rugosité

au delà d'une certaine profondeur et au niveau du fond des surfaces usinées ne rend pas ce

procédé capable de réaliser une matrice d'emboutissage ayant la qualité désirée.

L'autre procédé disponible est l'usinage par micro EDM (MEDM) dont les principales

différences avec l'usinage par EDM classique sont exposées dans [Bla06]. Cette technique de

fabrication permet de reproduire les motifs d'une électrode sur une pièce métallique, grâce à

une succession de décharges électriques produites entre l'électrode et la pièce. Cet espace

entre l'électrode et la pièce où se produisent les décharges électriques est appelé gap et

contient un liquide diélectrique permettant la formation de la décharge. Ce procédé de

fabrication a pour avantage, outre son aptitude à usiner des matériaux durs, de pouvoir

reproduire fidèlement les motifs de l'électrode sur le matériau usiné. La problématique

consiste donc à trouver des procédés capables de réaliser les motifs de l'électrode. Nous avons

la possibilité d'utiliser l'usinage par micro jet d'eau présenté précédemment, puisque la buse

est capable de réaliser d'obtenir des motifs dont la largeur est comprise entre 0,03 et 0,8

millimètres, d'une qualité acceptable jusqu'à une certaine profondeur. Or cette profondeur

acceptable des motifs réalisés sur l'électrode par jet d'eau est plus importante que celle requise

par la suite pour la réalisation de la matrice d'emboutissage.

Il est donc possible d'utiliser d'abord l'usinage par micro jet d'eau pour la réalisation de

l'électrode, puis le MEDM pour la réalisation de la matrice d'emboutissage. La combinaison

des deux procédés permet donc la réalisation de l'outillage, comme le montre la Figure 3.8.

Figure 3.8 Réalisation de la matrice d'emboutissage

Cette figure représente les trois étapes de la fabrication de la matrice (étapes a, b et c) via

l'utilisation d'une électrode et la combinaison de deux procédés de fabrications.

– Dans l'étape (a), l'électrode utilisée par la suite dans l'opération de MEDM (pièce n°1)

est réalisée par micro jet d'eau abrasif : l'état de surface et la rugosité au fond des

motifs ne sont pas satisfaisants.

– Dans l'étape (b), la matrice d'emboutissage (pièce n°2) est usinée par MEDM. Les

motifs pour lesquels l'état de surface n'est pas satisfaisant n'interviennent pas dans la

réalisation de la matrice : la profondeur des motifs réalisés par micro jet d'eau est plus

importante que celle requise, comme nous l'avons précisé (ce schéma ne représente

pas le gap existant entre l'électrode et la matrice).

– Dans l'étape (c), la matrice d'emboutissage est réalisée : l'outillage est prêt pour la

fabrication du produit.

Le choix de ce système de production implique certaines modifications géométriques sur

le produit final : lors de la réalisation de la matrice d'emboutissage par MEDM, du fait des

décharge électrique, l'électrode s'use au fur et à mesure de la réalisation de la matrice, voir

Figure 3.9, l'électrode avant et après réalisation de l'outillage. Il en résulte que les motifs

transférés au final sur la matrice ne sont pas verticaux mais légèrement coniques (cf. Figure

3.10) et il est impératif de prendre en compte cette "modification" géométrique qui se

répercutera sur le produit final , pour obtenir un microproduit performant.

Figure 3.9 Électrode avant (en haut) et après (en bas) réalisation de la matrice d'emboutissage

Cet exemple montre donc la forte dépendance existante entre le produit (le système

microfluidique) le procédé de fabrication retenu (l'emboutissage à chaud) et l'ensemble du

système de production (incluant la réalisation de la matrice d'emboutissage). Il est nécessaire

de prendre en compte les informations relatives à la réalisation du produit afin de s'assurer

que les paramètres retenus sont fabricables et d'intégrer les éventuelles modifications dues

aux procédés retenus. Il s'agit donc de garantir la qualité requise du produit à partir des

capabilités des différents procédés de fabrication intervenants dans le système de production.