Université de Franche-Comté

La Franche-Comté s'y entend en ultrasons

 

Les ultrasons ne font pas beaucoup de bruit… hormis lorsqu'il est question d'éloigner les adolescents indésirables. Pourtant la R & D en ce domaine est particulièrement effervescente. D'un point de vue fondamental, d'abord, les secrets de leurs actions pour améliorer le rendement de réactions chimiques, par exemple, sont loin d'être révélés. D'un point de vue technologique, ensuite, les progrès continus réalisés pour les générer — surtout dans la haute puissance — ont ouvert des applications insoupçonnées, allant du traitement des cancers à l'usinage de pièces aux formes jusque-là inenvisageables.

 

Ces innovations sont toutes représentées en Franche-Comté. En effet, la région a su préserver des savoirs et savoir-faire, en attirer et en développer de nouveaux, pour finalement pouvoir maintenant se positionner en leader sur des technologies utilisant les ultrasons.

 

 

Les ultrasons, par définition, sont des ondes acoustiques dont la fréquence dépasse 20 000 Hz. Comme tout son, elles ont une action mécanique sur le milieu dans lequel elles se propagent (liquides, gaz ou solides). Mais les ultrasons de forte puissance sont également responsables, dans les liquides, d'un autre phénomène riche et fructueux : les bulles de cavitation qui peuvent libérer une grande quantité d'énergie (cf. encart). Ces deux phénomènes expliquent pourquoi les ultrasons sont utilisés à des fins très variées : catalyse de réactions chimiques, électrochimie, décapage, usinage, échographie, cancérothérapie. Avec le multiple avantage de conduire à des technologies propres, économiques, rapides, sûres, miniaturisables…

 

 

 

SOMMAIRE

 

 

Générer des ultrasons : la piézoélectricité et maintenant la microélectronique

 

Résistance des matériaux aux ultrasons de puissance

 

Des condensateurs générateurs d'ultrasons

 

Vent acoustique et cavitation : tempête sous ultrasons

 

 

Solvants non conventionnels cherchent agitateurs

 

L'usinage par ultrasons

 

Un trou de 0,9 mm de diamètre sur 42 mm de hauteur

 

 

3 à 5 minutes pour un wafer

 

 

 

 

Générer des ultrasons : la piézoélectricité et maintenant la microélectronique

La plupart des transducteurs ultrasonores utilisent la piézoélectricité : un courant alternatif fait vibrer un cristal, générant des ondes mécaniques à la fréquence désirée. La Société IMASONIC s'est fait fort de concevoir sur mesure des transducteurs, ou des sondes complètes, en fonction de l'utilisation voulue : échographie, contrôle non destructif des structures (basse puissance), ou traitement des tumeurs (haute puissance). Et c'est bien l'amélioration de ces transducteurs, et surtout leur montée en puissance, qui ouvrent de nouvelles perspectives d'application. La société est également engagée dans un processus de recherche et développement permanent, ce qui l'amène à s'intéresser aux conditions de fonctionnement de ses sondes.

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Résistance des matériaux aux ultrasons de puissance

Pour le développement de matériel biomédical notamment, il existe un besoin d'intransigeance sur les qualités du matériel utilisé, qui revient en d'autres termes à connaître la réaction des émetteurs d'ultrasons aux conditions limites de fonctionnement. Or, les interactions entre les transducteurs ultrasonores et le milieu dans lequel ils agissent relèvent d'un problème multiphysique complexe.

 

La société IMASONIC conçoit et construit des matrices de transducteurs ultrasonores, avec une architecture telle que l'énergie des ondes acoustiques émises est focalisée sur un point, de la taille d'un grain de riz. Ce dispositif se pose en alternative aux autres traitements du cancer. Une alternative prometteuse car moins (parfois pas du tout) invasive que la chirurgie, et plus contrôlée que la radiothérapie. En effet, alors que les calculs statistiques permettent de contrôler les effets des rayonnements ionisants, les ultrasons, eux, produisent un effet de seuil dû au comportement des cellules. En-deçà d'une certaine quantité d'énergie, les cellules ne sont pas modifiées ; au-delà, elles meurent. Néanmoins, on comprend qu'il soit nécessaire de pouvoir comprendre le comportement des transducteurs aux limites de fonctionnement. Pour cela, il faut analyser comment le matériau piézoélectrique réagit à une forte puissance, et quels sont les mécanismes qui l'amènent à s'échauffer et à développer des contraintes internes. Le problème se révèle ardu car il en appelle à des phénomènes très divers (acoustique, mécanique, thermique…) et, qui plus est, couplés entre eux. Pour y répondre, IMASONIC a mobilisé autour d'elle, dans le cadre du projet « Ultrasur », labellisé par le Pôle des Microtechniques, des laboratoires (les départements ENISYS et Mécanique de FEMTO-ST et l'équipe SRS — Sonochimie et réactivité des surfaces — d'UTINAM) et C&K COMPONENTS. En effet, la modélisation multiphysique des phénomènes en cours de fonctionnement des transducteurs ne peut se faire sans acousticiens, mécaniciens, sonochimistes et thermiciens. Pour preuve de cette transversalité, un doctorant a démarré sa thèse avec un pied dans chacun des deux départements impliqués de FEMTO-ST.

 

Ce logiciel de modélisation est maintenant proche de devenir un outil d'aide à la décision. Outre la prévention des risques de pannes et la prévision des ruptures des transducteurs, il peut aussi aider au prototypage des générations futures. Cette fiabilisation dans des conditions difficiles est validée lors de la mise au point d'un procédé de galvanoplastie pour la fabrication de micro-interrupteurs assistée par ultrasons. Le travail d'un post-doctorant de SRS-UTINAM a fait l'objet d'un dépôt de brevet avec C&K COMPONENTS et une ligne pilote est en cours de réalisation.

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Des condensateurs générateurs d'ultrasons

Une nouvelle technologie émerge pour la réalisation de transducteurs, fondée sur une idée émise par Langevin : un champ électrique peut générer une force électrostatique se traduisant par un déplacement mécanique. Lorsqu'un champ électrique alternatif est appliqué à une membrane souple, on obtient une vibration. Langevin n'avait pas à sa disposition une technologie suffisante pour mettre en œuvre son idée. La microélectronique la rend maintenant possible : une sorte de « microtambour » peut être usiné dans du silicium, avec une fine membrane séparée du substrat. Ces nouveaux transducteurs, dits CMUT pour capacity micromachined ultrasonic transducer, nés il y a quinze ans, ne rivalisent pas encore avec les piézocomposites pour le rapport signal / bruit. Par contre, leur impédance se rapproche de celle des gaz et ils peuvent donc leur transmettre une vibration. Autres avantages : leur bande passante est très large et ils peuvent être fabriqués collectivement par des procédés empruntés à la microélectronique.

 

Un atelier international est organisé à Besançon par FEMTO-ST, l'Institut Pierre Vernier et IMASONIC les 28 et 29 mai 2009. Tous les aspects des transducteurs ultrasonores micro-usinés seront abordés, du fonctionnement fondamental aux applications, en passant par les technologies de fabrication.

 

 

 

Visualisation par tomographie laser de la distribution de la cavitation dans un sonoréacteur à 500 kHz

Visualisation par tomographie laser de la distribution de la cavitation dans un sonoréacteur

à 500 kHz (collaboration SRS-UTINAM et ENISYS FEMTO-ST)

 

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Vent acoustique et cavitation : tempête sous ultrasons

L'équipe de Sonochimie et réactivité des surfaces de l'Institut UTINAM doit être l'une des mieux équipées d'Europe pour l'étude des ultrasons. Elle doit ceci à un couplage très fort entre la recherche fondamentale et la recherche sur contrat avec les industriels. Très globalement, l'équipe s'est fait une spécialité de la caractérisation de l'action des ultrasons de différentes fréquences et puissances dans les milieux. Elle cherche à comprendre l'effet de la cavitation et de la propagation des ondes, avec une méthodologie non pas basée sur la simulation qui est difficile du fait de la présence des bulles de cavitation, mais plutôt sur l'observation systématique.

 

Armée d'une technique, la particle image velocimetry, développée par ENISYS (FEMTO-ST) qui mesure la vitesse des écoulements au sein du réacteur, et d'un potentiostat qui mesure le signal électrochimique, et donc les transferts de matière, l'équipe, après avoir traduit l'activité électrochimique en une vitesse apparente, nécessaire au transfert de matière, a pu comparer les deux vitesses et établir la part prépondérante de la cavitation dans l'activité ultrasonore. Par ailleurs, cette vitesse équivalente sert aussi de base de calibration pour comparer les résultats des différents laboratoires. Cette meilleure connaissance des mécanismes impliqués, et en particulier des effets de la cavitation asymétrique à proximité d'une paroi, permet au laboratoire de mettre au point des procédés de préparation de surface, de dépôts de revêtements, notamment métalliques ou de catalyse de réactions électrochimiques. L'équipe a également organisé en son sein un dispositif de transfert, avec un ingénieur permanent auprès de qui les expériences se capitalisent.

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Des bulles de cavitation

 

Comme toute onde mécanique, les ultrasons, en se déplaçant dans un liquide, créent un système oscillant où se succèdent des zones de surpression et de dépression. La dépression est parfois si forte qu'elle est capable de rompre les forces de cohésion du liquide : les gaz se désorbent, les solvants se vaporisent. Des bulles émergent localement.

 

En surpression, les gaz sont réabsorbés par le liquide et la bulle disparaît ou diminue. Comme ce phénomène est plus lent que la désorption, il arrive qu'une bulle ne disparaisse pas, mais au contraire augmente jusqu'à atteindre une taille critique. Elle va alors s'effondrer brutalement, créant de façon fugitive (10-15 s) et très locale des conditions extrêmes : une température pouvant atteindre 5 000°C et une pression de 500 atmosphères. On a ainsi créé, au sein du liquide, de véritables microréacteurs chimiques propres à hydrolyser l'eau, à former des radicaux libres ou encore des nanoparticules.

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Solvants non conventionnels cherchent agitateurs

Parmi les nombreuses pistes explorées, le laboratoire développe des recherches dans de drôles de liquides. Dans le cadre du groupe de recherche PARIS dans lequel interviennent le CEA, le CNRS, EDF et l'ANDRA, il propose un système électrochimique, sous ultrasons, avec pour objectif la séparation des actinides des lanthanides dans les déchets nucléaires. Ces deux résidus sont particulièrement difficiles à séparer, alors que, parallèlement, il ne semble pas pertinent de stocker des lanthanides, non radioactifs. Le stratagème imaginé consiste à réduire l'un après l'autre les composés présents. Or, leur potentiel d'oxydoréduction est trop proche de celui de l'eau, et celle-ci se décompose dans les plages utiles pour leur séparation. En utilisant comme solvant des liquides ioniques, la fenêtre électrochimique de la réaction est grandement étendue et il devient alors possible de réduire sélectivement les lanthanides et les actinides. Cependant, la viscosité élevée de ces milieux ainsi que de leur hygroscopicité prononcée restent un frein au développement de telles applications. Des cas de passivation d'électrodes ont également été rapportés. Dans ce contexte, l'emploi des ultrasons contribue à la résolution de nombreux problèmes.

 

Tout autre domaine d'application : le nettoyage. Utilisés depuis longtemps dans les industries, les ultrasons — via notamment le phénomène de cavitation — ont un fort pouvoir pour arracher la matière à une paroi. L'équipe Sonochimie et réactivité des surfaces a été sollicitée par une entreprise — NAVYCLEAN — pour mettre au point un dispositif de nettoyage des coques de bateaux. Des transducteurs ultrasons de haute puissance doivent être focalisés pour arracher algues et micro-organismes de la surface du bateau (cf. en direct n° 211, novembre 2006).

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L'usinage par ultrasons

Rien de commun avec la technologie ancienne d'usinage par ultrasons développée il y a cinquante ans. Les capacités d'usinage que l'Institut Pierre Vernier (IPV) — en acquérant le fonds technologique et commercial de μ-USM — maîtrise maintenant, n'ont pas de commune mesure avec les anciennes machines en termes de performance, de rapidité d'exécution et de diversité dans les formes possibles. Pourtant, le principe reste le même : une sonotrode, dont une extrémité est sculptée de la forme que l'on veut donner à l'objet, transmet les ultrasons à un milieu liquide rempli de grains.

 

Ces grains, accumulant l'énergie cinétique de la vibration, se mettent en mouvement et viennent arracher la matière de la pièce à usiner. L'usinage se fait donc sans contact direct entre la pièce et la sonotrode, en utilisant l'érosion, l'abrasion et le cisaillement. Au besoin, la sonotrode se résume à une fine pointe, et il n'y a plus défonçage, mais génération de trajectoires pour former les pièces.

 

Par contre, la puissance des ultrasons générés a considérablement augmenté, de même que la compréhension des phénomènes impliqués (par exemple, la gestion des vibrations parasites, qui auparavant gênaient la précision de l'usinage, a été largement améliorée). Ainsi, au lieu du traditionnel usinage de la ferrite ou du graphite, toute une gamme de matériaux est à portée des ultrasons : le quartz (c'est d'ailleurs par là que l'histoire a commencé – cf. encart), le saphir et globalement tous les alumines, le zirconium, le silicium, le titane et l'aluminium dans certaines conditions, certaines céramiques, des composites… S'il est admis que ce sont les matériaux durs mais fragiles qui peuvent être usinés par ultrasons, d'autres paramètres entrent en considération, comme la ténacité. Il est donc difficile de préjuger du comportement d'un matériau à ce type d'usinage, d'autant plus que les conditions mêmes de la manipulation (vitesse, type de particules utilisées…) apportent une grande latitude. Rien ne vaut donc le test en grandeur réelle, et l'IPV adapte des plans d'expériences pour chaque nouveau matériau qui lui est confié.

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Un trou de 0,9 mm de diamètre sur 42 mm de hauteur

La grande force de l'usinage ultrasonore, malgré tout, est de pouvoir, mieux que n'importe quelle autre technologie, usiner des pièces à très haut rapport de forme, avec des précisions de l'ordre de 5 μm.

 

Par rapport à l'usinage laser, les flans d'un trou de 0,9 mm de diamètre restent droits (et non pas coniques). De plus, les surfaces ne chauffent pas durant l'usinage.

 

Par rapport à la gravure plasma, la profondeur atteinte est hors compétition, ainsi que la diversité des matériaux usinables.

 

Dans une gamme de taille allant de moins de 100 à 0,15 mm, il devient possible, grâce à ce haut facteur de forme, de créer des pièces jusque là inimaginables, en 3D véritable.

 

D'ailleurs, l'usinage ultrasonore a permis de réaliser… des transducteurs ultrasonores pour le compte de la société IMASONIC qui a besoin d'une matrice de transducteurs ; le département Temps-fréquence de FEMTO-ST a proposé une nouvelle architecture où, pour des questions de gain d'énergie, la forme carrée est remplacée par une forme circulaire.

 

 

Comparaison de l'usinage par ultrasons et par ablation laser

 

Comparaison de l'usinage par ultrasons (à gauche) et par ablation laser (à droite)

 

 

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μ-USM, effet collatéral du temps-fréquence

 

L'histoire de l'usinage par ultrasons commence dans les années 1975, quand l'ancien LCEP, devenu département Temps-fréquence de FEMTO-ST, doit trouver de nouvelles coupes pour le quartz, son matériau de prédilection pour construire des résonateurs.

 

À l'époque, rien ne laissait présager que l'équipe allait atteindre une telle précision dans l'usinage du cristal. Elle a ainsi conçu et assemblé des machines capables de générer, d'amplifier et de transmettre l'énergie des ultrasons aux particules abrasives (du diamant ou du carbure de bore, par exemple).

 

La recherche de solutions pour des applications nouvelles, dans les microtechniques surtout, a été le moteur de l'amélioration de l'usinage, à quoi il convient d'ajouter les meilleures performances des transducteurs, cent fois plus performants que leurs prédécesseurs. Ces savoir-faire empiriques se sont accumulés et ont été finalement transmis à la société μ-USM, et maintenant à l'IPV, qui assure la continuité du développement et de la commercialisation de cette technologie.

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3 à 5 minutes pour un wafer

Actuellement, les actions combinées du département Temps-fréquence de FEMTO-ST et de l'IPV en termes de développement s'orientent dans deux directions. La première consiste à adapter la technologie et les sonotrodes pour être capable d'usiner des wafers de 4 pouces. Il deviendrait ainsi possible de rendre la technologie compatible pour la microélectronique. Un ingénieur de recherche recruté pour six mois s'y emploie. L'intérêt est ici de réaliser du prototypage. En effet, au vu des temps de réalisation extrêmement courts comparés à ceux de la gravure chimique, quelques minutes contre une vingtaine d'heures, des essais sont possibles à moindre frais.

 

Le second objectif de l'IPV est d'automatiser les machines et le processus pour le rendre adéquat avec les contraintes d'une industrialisation.

 

 

Exemple de réalisation

 

Exemple de réalisation

 

 

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Ensemble des paramètres influençant l'usinage

 

De nombreux facteurs entrent en jeu dans l'usinage, chacun étant source potentielle d'amélioration de la performance. Le liquide abrasif, d'abord, peut admettre différentes propriétés en fonction du type d'abrasif choisi, de sa concentration, de la taille du grain, du procédé d'alimentation du liquide, de la température, et enfin du type de liquide utilisé. La pièce à usiner, en fonction de son matériau, du facteur de forme voulu, de sa dureté ou de sa résistance réagira différemment. L'outil, la sonotrode, produit des effets variables selon son matériau, sa géométrie ou son état de surface.

 

Enfin, les paramètres de réglage de la machine, ou ses caractéristiques techniques, sont également des points d'ajustement cruciaux : l'amplitude de vibration, la pression statique, la fréquence et la puissance. Une bonne combinaison de tous ces éléments concourt à limiter l'usure de l'outil et à améliorer l'enlèvement de matière (éventuellement aussi la rugosité de la pièce usinée), les paramètres essentiels à maîtriser pour tous types d'usinage.

 

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Réalistion par usinage ultrasonore

 

Exemple de réalisation par usinage ultrasonore. Facteur de forme supérieur à 20

 

 

 

Résonnateur à quartz réalisé par usinage ultrasonore

 

Un résonnateur à quartz réalisé par usinage ultrasonore.

Département Temps-fréquence de FEMTO-ST

 

 

 

 Accéléromètre dont la partie active, supérieure, est usinée en une étape par ultrason

 

Accéléromètre, dont la partie active, supérieure,

est usinée en une étape par ultrason

 

 

 

Le pouvoir à l'imagination

 

Luxe, bijouterie, horlogerie, joaillerie, défense, biomédical, automobile… tous les domaines qui ont besoin de pièces particulières, aux formes complexes, précises, dans des matériaux difficilement usinables, peuvent trouver leur bonheur avec l'usinage ultrasonore.

 

Des trous parfaitement carrés, une forme d'entonnoir s'amenuisant pour ne laisser qu'un mince tuyau débouchant, des pièces de montre entièrement transparentes… les possibilités de l'usinage ultrasonore, les contraintes qu'il lève, sont telles qu'elles permettent de débrider l'imagination.

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Contact : Gérard Fleury

IMASONIC

Tél. (0033/0) 3 81 40 31 31

 

Jean-Yves Hihn

Équipe Sonochimie et réactivité des surfaces

Institut UTINAM

Université de Franche-Comté / CNRS

Tél. (0033/0) 3 81 66 20 36

 

Raja Derham

Institut Pierre Vernier

Tél. (0033/0) 3 81 40 57 08

 

Jean-Jacques Boy

Département Temps-fréquence

Institut FEMTO-ST

Université de Franche-Comté / UTBM / ENSMM / CNRS

Tél. (0033/0) 3 81 66 28 23

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