ROLF WÜTHRICH ET DIANA WINGERTER

Depuis quelques années, le verre connaîtune véritable renaissance. Dans de nom-breuses applications haut de gamme le

verre est déjà utilisé avec succès pour des systèmes micro-électromécaniques (MEMS) oudes laboratoires sur puces (Lab on chip) (image 1).Ses propriétés uniques, telles que la trans -parence optique ou la durabilité chimique, font dece matériau un candidat de choix, en particulierpour les capteurs biologiques ou la fabrication dedispositifs optoélectroniques. De plus, le verren’interfère pas dans la propagation des ondesradios ce qui permet la réalisation de capteurssans fils pour la lecture de données et la trans-mission d’énergie (typiquement la technologieRFID ou la recharge QI). Cependant, la dureté etla fragilité du verre représentent un réel défi pourquiconque souhaite réaliser son micro-usinage.En particulier, l’obtention de surfaces lisses et de

microstructures de haute qualité ayant des rapportsde formes élevés sont difficiles à atteindre.

›Spark Assisted Chemical Engraving‹ (SACE) estune technologie de micro-usinage de l’entreprisesuisse Posalux SA qui combine les avantages des pro-cessus chimiques et thermiques. Cette technologiemaintient la transparence du verre et n’engendreaucune bavure, aucune fissure, aucun débris et la sur-face du matériau reste propre. De plus, même desstructures avec des rapports de formes allant jus-qu'à 1:10 peuvent être obtenues par cette techni-que d’usinage.

SACE est basé sur un procédé d’attaque chimique du verre. Il est possible de percer en quelques secondes des micro-trous d’une pro-fondeur de 700 µm et d’usiner des canaux de plu-sieurs centaines de micromètres de profondeur. Leverre peut également être découpé sur une profon-deur de quelques millimètres. Toutes ces métho-des d’usinage peuvent être effectuées directe-ment, sans processus additionnels

Le verre, un étatLe verre est en général connu comme un mélangede sable, de chaux et de sodium. Pour la fabricationdu verre, ce mélange est chauffé à une températurede 1400 à 1600 degrés Celsius avant d’être refroidit.Ce refroidissement à lieu si rapidement que lesmolécules ne peuvent pas former un réseau cristallin.La masse se solidifie dans un état intermédiaire entrel’état liquide et solide. Cet état est connu comme un solide amorphe ou ›vitreux‹. Il est théoriquementpossible de produire des verres avec presque tous

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FABRICANTPOSALUX SACH-2500 Biel-Bienne 6Tel. +41 32 344 75 00contact@posalux.comwww.posalux.com

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images: Posalux SA

Micro-usinage du verre avec précision et efficacité Avec SACE (Spark Assisted Chemical Engraving), une méthode de micro-usinage de verreefficace et de haute qualité a été porté à MATURITÉ INDUSTRIELLE. Ce procédéhybride ne préserve pas seulement la transparence du verre, mais les structures produitessont exemptes de bavures et aucun débris n’est formé, le verre reste pur.

image 1. Substrat de verremicrostructuré tel que utilisédans les laboratoires sur puces(lab on chips)

Source: Mikroproduktion 06/2015, page 40-43

les solides, y compris des métaux. Le verre peut,par exemple, être produit lors du refroidissementrapide de lave chaude émise par un volcan.

Au 18ème siècle, les souffleurs de verre de Thu-ringe commencèrent à étirer des fils de verre qu’ilsnommèrent ›cheveux d'ange‹. Beaucoup plus tard,on découvrit les propriétés techniques de ces fibresde verre. L’excellente qualité optique couplée à des qualités mécaniques bien meilleure que celleobtenue avec du verre compact rendent ce matériauexceptionnel, et pas uniquement pour l’internet hautdébit. Les fibres sont également utilisées dans desapplications médicales comme guides de lumièreflexible dans des instruments endoscopiques pour desanalyses et des opérations chirurgicales faiblementinvasives. En outre, les fibres de verre permettent laréalisation de matériaux composites stables dans letemps et mécaniquement très résistants. Ce matériause retrouve donc dans des applications de pointepour la fabrication de fuselages, d’ailes d’avions ouencore de pales pour les éoliennes.

Le verre, un formidable matériau polyvalent Le verre possède de nombreuses propriétés excep-tionnelles: le verre est résistant à la chaleur, à lapression, aux produits chimiques, est facilementrecyclable et possède une chimie de surface biendéfinie. Pourtant, le verre est rarement exploité caril est difficile et relativement coûteux à usiner. Enintroduisant la technologie SACE, Posalux ouvre denouvelles possibilités, et en particulier fournit unesolution abordable pour travailler le verre. Par cettetechnologie, l’usinage du verre est obtenu chimi-quement dans une solution alcaline (image 2).Pour accélérer et localiser le processus d’attaquechimique, des micro-étincelles sont formées durantle processus ce qui génère une micro-source dechaleur. Cette source de chaleur forme un plasmaautour de l'outil (image 3) qui catalyse localementla dissolution du verre.

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image 2. Mécanisme d’enlèvement de matièreavec la technologie SACE: Le procédé est basé sur unplasma froid formé autour de l'outil

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Plasma froid pour une technolo-gie de micro-usinage contrôléPour produire ce plasma froid, on utilise un procédéélectrochimique. Lors de l’électrolyse de l’eau soushaute densité de courant (typiquement 1 A/mm2),un film de gaz est construit autour de l’outil. Unefois le film de gaz formé, l’outil est isolé électrique-ment du reste de la solution, provoquant ainsi desmicro-étincelles au travers de cette couche isolante.Ces micro-sources de chaleur produites entre l'outilet l'électrolyte chauffent l'outil à une températurecontrôlée d’environ 500°C. Afin d'obtenir une tech-nologie de micro-usinage contrôlée, un certain nombrede défis technologiques ont dû être maîtrisé: lecontrôle de la température de l’outil, la stabilisationdu film de gaz, le positionnement et le déplacementprécis de l'outil par rapport à la pièce à usiner.

Avec la toute nouvelle machine-outil SACE,Posalux offre une solution industrielle répondant àtoutes ces exigences. La machine-outil SACE estdisponible en 2 versions: La SACE FP1 (image 4),équipée d'une mono-tête, est spécifiquementconçu pour le prototypage rapide, tandis que laSACE HP4, disponible avec un maximum de quatre têtes d’usinage, est spécialement prévuepour la production de masse. Les deux machinesont une stabilité de processus élevée tout ennécessitant un minimum d’entretien. De plus, l'outil n’ayant qu’une usure réduite, les coûts d’outillage sont faibles. De même, lesproduits chimiques utilisés (classiquement de l’hydroxyde de sodium) sont facilement manipu -lables, retraitables, et très bon marché. La machine-outil SACE de Posalux permet divers procédés demicro-usinage (images 5a-d) :

� Micro-perçage: des trous de 150 microns à plusieurs millimètres de diamètres peuvent être percés sur une profondeur de quelques millimètres.� Micro-fraisage: lors du micro-fraisage, l'outilavance typiquement à une vitesse de 20 mm/minavec un enlèvement de matière de 50 - 100 micro-mètres. � Micro-découpe: en micro-découpe les avancesd'outil typique sont de 10 - 20 mm/min avec unenlèvement de matière compris entre 50 et 100micromètres.� Polissage : en mode polissage on peut affinerla qualité de surface souhaitée. Selon les applica-tions, des surfaces rugueuses à lisses peuventêtre réalisées.

Des champs d’applicationsétendus pour l’usinage du verreLa technologie SACE est particulièrement bienadaptée à l’industrie médicale puisqu’elle permet laréalisation de dispositifs regroupant des fonctionsde laboratoire sur une puce (lab on chip), par exem-ple pour des tests sanguins, la recherche de traite-ment sur le cancer, du diabète ou encore dans la synthèse de produits chimiques. Des dispositifsmulticouches comme par exemple le micro-mélangeur sont optiquement transparents, idéalespour les observations microscopiques. De plus, leverre ayant une résistance chimique élevée, lesdispositifs usinés dans ce matériau peuvent êtrefacilement stérilisés (image 6).

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images: Posalux SA

image 4. La machine-outil SACE FP1,équipée d'unemono-tête, pour leprototypage rapide

image 3. Plasmafroid dans le procédé SACE

En optoélectronique, le verre est également deplus en plus utilisé, par exemple dans l’industrie descircuits imprimés. Grâce à la technologie SACE, lafabrication de trous afin de contacter les différentescouches de circuit électronique (Through GlassVias) est possible très simplement.

Modifications ciblées des propriétés de surface du verreLa recherche sur la technologie SACE, cofinancéepar Posalux, permet l'extension du processus à de

nouvelles applications. Ainsi dans un avenir proche,il devrait être possible de modifier précisément etlocalement les propriétés de surface du verre aumoyen de la technologie SACE, comme la dureté, lamouillabilité, le coefficient de friction ou encore la couleur du verre durant l’usinage. �

AUTEURSProf. Dr. ROLF WÜTHRICH est Technology Officer àPosalux à Bienne, Suisse (rwuethrich@posalux.com) et Associate Professor and Head of Electrocatalytic Green Engineering Group à la Concordia University Montreal au Québec, CanadaDIANA WINGERTER, Diplômée en gestion d'entreprise (Université polytechnique de Worms) est Marketing Manager à Posalux à Bienne, Suisse (dwingerter@posalux.com)

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image 5d. Texturation de surfaces réalisables en mode polissage

image 5c. Micro-découpe de contours

image 6. Micro-mélangeur de troiscouches (›MultilayerMicromixer‹)

image 5a.Micro-perçageavec électroderotative

image 5b.Micro-fraisagede chantstran-chantsmais sansbavures