Réalisation de deux motifs de rainures parallèles, croisés à 90°

La dernière série consiste à réaliser deux motifs de rainures parallèles, qui se coupent perpendiculairement. L’intérêt de cette configuration de trajectoires est de pouvoir avoir un premier aperçu des structures que l’on pourra obtenir lorsque l’on créera des surfaces microstructurées.

Comme précédemment, la surface d’acier inoxydable est irradiée avec des impulsions d’énergie d’environ 6 µJ délivrées au taux de répétition de 50 kHz. Le faisceau focalisé en un diamètre de 26,2 µm balaie la surface à une vitesse de 75 mm/s selon un motif de quatre lignes parallèles espacées de 30 µm, qui se croisent à 90°. Chaque motif est réalisé alternativement selon les directions X et Y, afin d’obtenir une ablation homogène selon ces directions, et avec un nombre de passages allant de 1 à 10.

Deux façons de procéder sont testées, en fonction de l’orientation des premières lignes réalisées : la première consiste à usiner en premier les rainures par rapport à l’axe X puis celles suivant l’axe Y (Fig. 6.17, cas n°1), et la seconde en commençant par les rainures suivant Y puis celles suivant l’axe X (Fig. 6.17, cas n°2). Etant données les différentes hypothèses que nous avons formulées quant à la légère ellipticité du faisceau focalisé, l’ellipticité de la polarisation et les possibles oscillations des trajectoires dues aux mouvements des miroirs galvanométriques, il est judicieux de vérifier l’influence de ces deux méthodes d’usinage.

Figure 6.17: Schéma de principe des deux procédés d'usinage testés : dans le premier cas, le balayage commence par les trajectoires suivant l’axe X, et dans le second cela commence par les trajectoires suivant

l’axe Y.

Sur les caractérisations des surfaces ainsi irradiées au profilomètre 3D InfiniteFocus, nous nous intéressons plus particulièrement à l’intersection des lignes et aux microstructures qui en émergent. Nous analysons l’évolution liée au nombre d’impulsions incidentes de la largeur et l’espacement à mi-hauteur sur un profil d’acquisition. Contrairement aux séries d’usinages précédentes, nous ne parlons plus de « profondeur » de rainure, mais nous nous plaçons au niveau des microstructures, d’où la caractérisation de différentes « hauteurs » (Fig. 6.18).

Nous utilisons ces différentes notations pour désigner ces hauteurs. La hauteur totale entre le sommet des microstructures et le creux correspondant à l’intersection des trajectoires est notée . La différence de hauteur entre la surface non texturée et le dessus des microstructures est appelée ∆ . Pour finir, nous avons pu constater qu’une différence de hauteur pouvait être observée au niveau des zones où les trajectoires du faisceau ne se coupent pas, que nous notons par la suite ∆ .

Figure 6.18: Schéma de principe des différentes mesures réalisées au profilomètre 3D InfiniteFocus sur les motifs de lignes croisées. Le profil n°1 permet de mesurer la hauteur totale Htot des microstructures obtenues aux intersections des trajectoires, la différence ΔH1 entre la surface non texturée et le sommet des micro-pics et la différence de hauteur ΔH mesurée au niveau des zones où les trajectoires du faisceau

ne se coupent pas. Le profil n°2 permet de mesurer la largeur et l’espacement des microstructures à mi-hauteur du profil d’acquisition.

En ce qui concerne la largeur et l’espacement des microstructures mesurés sur un profil d’acquisition, on peut constater qu’avant trois passages successifs du faisceau, la surface ne présente pas assez de relief pour qu’un profil puisse être extrait afin de mesurer une largeur et un espacement à mi-hauteur. A partir d’un nombre égal à 3 soit un nombre d’impulsions supérieur à 50, il apparaît que la largeur des microstructures à mi-hauteur du profil a une valeur de 12,7 ± 0,2 µm et que l’espacement entre-elles vaut 16,9 ± 0,4 µm (Fig. 6.19). De plus, il ne semble pas y avoir de différence significative des dimensions des microstructures, au niveau de la largeur et de l’espacement, au regard de la première direction d’usinage horizontale (cas n°1) ou verticale (cas n°2).

Figure 6.19: Evolution de la largeur et de l’espacement des microstructures obtenues en fonction du nombre d’impulsions incidentes en un spot, pour les deux procédés d’usinage sus-cités (cas n°1 premier

balayage par rapport à X, et cas n°2 par rapport à Y).

De façon semblable aux différentes évolutions de profondeur des rainures que nous avons vues précédemment, l’évolution de la hauteur totale des microstructures suit une courbe de tendance linéaire avec un nombre croissant d’impulsions incidentes (Fig. 6.20). Entre un et deux passages consécutifs du faisceau, on note que la hauteur des microstructures est tout juste de 1,2 ± 0,2 µm. Puis à partir de trois passages, soit une cinquantaine d’impulsions, cette hauteur augmente pour atteindre une valeur maximale de 12,0 ± 0,5 µm.

De prime abord, cette valeur ne semble pas être cohérente avec la profondeur maximale que nous avons mesurée au niveau de l’intersection des deux rainures simples, qui était de 15,0 ± 0,5 µm. C’est parce qu’il nous faut prendre en compte dans ce cas-là la différence de hauteur entre la surface non texturée et le sommet des microstructures ∆ .

On ne peut commencer à mesurer cette différence ∆ qu’à partir de quatre passages successifs du faisceau. Elle augmente de façon quasi linéaire avec en passant d’une valeur minimale de 0,46 ± 0,1 µm pour quatre passages à une valeur maximale de 1,7 ± 0,5 µm pour dix passages. Ainsi, en additionnant la valeur maximale de et celle de ∆ , on retrouve quasiment les 15 µm mesurés au niveau de l’intersection des rainures simples. On constate que la première direction d’usinage n’influe quasiment pas sur les valeurs mesurées de ∆ .

Pour finir, nous avons pu constater qu’une différence de hauteur ∆ apparaît entre les zones où les trajectoires du faisceau ne se croisent pas, à partir d’un nombre de passages de quatre. La différence de hauteur minimale mesurée est de 0,44 ± 0,1 µm quelle que soit la première direction d’usinage. En revanche, avec un nombre croissant de passes, la valeur de ∆ est plus importante

lorsque les premières trajectoires réalisées sont suivant l’axe X. On mesure dans ce cas-là une différence de hauteur maximale de 3,4 ± 0,5 µm (cas n°1), tandis que lorsque la texturation commence par les trajectoires suivant l’axe Y on ne mesure plus que 1,3 ± 0,5 µm (cas n°2). Ces observations nous permettent de conclure que, pour réaliser une texturation plus homogène, il convient de privilégier en consigne un début d’usinage suivant l’axe Y dans le référentiel de l’échantillon (cas n°2).

Figure 6.20: Evolution des différentes hauteurs mesurées Htot, ΔH1 et ΔH2, en fonction du nombre d’impulsions incidentes en un spot. La hauteur totale Htot et la différence de hauteur ΔH1, entre la surface

non texturée et le sommet des microstructures, ne présentent pas de différences selon la direction du premier balayage. En revanche la différence de hauteur ΔH2 est beaucoup plus importante en commençant

l’usinage suivant l’axe X.

Enfin, si on observe plus attentivement la topographie des microstructures obtenues, on se rend compte que celles-ci sont recouvertes de nanostructures auto-organisées de type ripples, et qu’au niveau des intersections des trajectoires du faisceau on peut retrouver les micro-trous qui apparaissaient dans le fond des rainures simples de la partie 6.3.1 (Fig. 6.21). Les fine ripples semblent présenter une orientation préférentielle, qu’il n’est pas aisé de relier à la direction de polarisation incidente, étant donné son ellipticité.

Figure 6.21: Image 2D au profilomètre montrant la présence de nanostructures auto-organisées de type

ripples sur les flancs des microstructures obtenues, ainsi que l’apparition de micro-trous au niveau des

intersections des trajectoires du faisceau.

La présence de cette seconde échelle de rugosité qui s’ajoute à la microstructuration de la surface est essentielle pour les applications de modification de la mouillabilité des surfaces texturées. Nous nous intéressons à présent à l’obtention de ces structures auto-organisées de dimensions submicrométriques sur une surface plane d’acier inoxydable.