Brevet FR2405111A1 — publié le 19790504

L'invention concerne l'usinage de pièces par bombardement ionique. La très grande précision d'usinage nécessaire dans de nombreuses techniques, contrôlable à quelques dizièmes de microns près par interférences optiques par exemple, a été obtenue dans l'art antérieur à l'aide de procédés de bombardement de la surface à usiner par des particules, notamment par bombardement ionique. Un premier procédé connu consiste à produire un faisceau ionique, et à le transporter jusqu'aux différents points de la surface à usineras moyen d'une optique ionique, ce qui limite sévèrement le courant par suite des phénomènes de charge d'espace, même lorsque la tension électrique d'accélération utilisée est élevée (plusieurs dizaines de kilovolts). D'autre part, le faisceau ionique doit etre prévu fin, pour permettre une bonne résolution spatiale. la combinaison de ces deux conditions fait que les vitesses d'usinage que permet le procédé sont généralement faibles. Un autre procédé connu, qui, lui, permet aisément d'obtenir une vitesse d'érosion minimale plus élevée que celle du précédent, de quelques milliers d'angstroms/minute, consiste à effectuer une érosion cathodique, la densité de courant ionique alors à peu près uniforme pouvant être maintenue, si nécessaire, à une valeur de 2 l'ordre de 50 mA/cm2 . Mais en contrepartie, ce dernier procédé ne permet pas, du fait de la quasi-uni-f.-rmité de la vitesse d'érosion sur. la surface à usiner, de rograrnmer efficacement cette vitesse en fonction du point d'impact et, par conséquent, n'est pas non plus entièrement satisfaisant. L'invention a précisément pour objet un procédé d'usinage, ainsi que les dispositifs de mise en oeuvre de celui-ci, qui permettent d'obtenir une grande vitesse d'érosion, et par conséquent d'usinage, avec un contrôle fin de l'usinage en chaque point de la surface. te procédé suivant l'invention est caractérisé par la combinaison d'un bombardement ionique d'une surface étendue - en fait toute la surface à usiner - par les ions d'un plasma, et d'un faisceau électronique simultané, dont l'intensité et la déviation sont modulées l'une et l'autre, et dirigé de manière à modifier localement les caractéristiques du bombardement ionique. tes dispositifs d'usinage suivant l'invention sont caractérisés par la combinaison d'une enceinte d'ionisation étanche dans laquelle est placée la pièce à usiner, munie de moyens de génération d'un plasma à la surface de la pièce, d'un ensemble constitué par un canon à électrons et un système de déviation du faisceau cathodique produit par le canon, en communication avec ladite enceinte, et de moyens de commanae de la déviation et de l'intensité du faisceau d'électrons. L'invention et ses diverses caractéristiques seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et en se reportant aux figures 1, 2 et 3, qui représentent respectivement le schéma de principe d'un dispositif d'usinage suivant l'invention, et deux exemples préférés de mise en oeuvre de l'invention, avec contre permanent de l'opération d'usinage. Dans ces exemples, des dispositions particulières sont prévues pour la protection de la cathode. te procédé d'usinage réalisé suivant le schéma de principe représenté à la figure I met en jeu ce qu'on appelle l'érosion cathodique qui se produit lorsque l'on provoque l'ionisation, par une décharge électrique, dtun gaz à basse pression au voisinage d'une surface solide : il se forme alors au contact de cette surface une gaine ionique de faible épaisseur dont les électrons, doués d'une grande vitesse d'agitation thermique, sont presque immédiatement fixés à la surface solide, repoussant alors les électrons présents dans la décharge, et attirant, à travers la gaine, les ions positifs dont l'énergie d'impact est fonction de leur masse et de l'énergie thermique des électrons. Pour des ions argon par exemple, l'énergie d'impact est de l'ordre de 5 fois l'énergie thermique des électrons.En utilisant une décharge à haute fréquence, on peut obtenir une énergie d'agitation des électrons assez élevée, jusqu'à 50 eV par exemple, et une énergie d'impact ionique pouvant atteindre 250 eV, ce qui permet d'obtenir une érosion assez importante, variant avec la nature des surfaces ; on peut compter pour chaque ion sur une probabilité de l'ordre de 30 d'arracher un atome d'une telle surface. On trouvera de plus amples développements sur ce phénomène dans l'ouvrage "Ion Bombardment of Solids" de G. Carter et J.S. Colligon,Heinemann Editeur, Lonares 1968. Dans le dispositif suivant l'invention illustré à la figure 1, la pièce 11, dont la surface inférieure est celle à usiner, est montée sur une platine formant avec une enceinte 3 un récipient étanche, dans lequel est introduit par une tubulure 8, un gaz, inerte de préférenne, argon, krypton par exemple, à très tasse pression (de l'ordre de 10 4 torr). Autour de l'enceinte 3, un dispositif 30, un enroulement conducteur,31, dans.l'exemple,alimenté par un générateur haute fréquence 32, crée un champ électromagnétique d'ionisation. La densité du courant ionique ainsi créé est à peu près uniforme, et peut être de l'ordre de 50 mA/cm2. te dispositif comporte en outre, dans un prolongement de l'enceinte 3, un ensemble 5 générateur d'un faisceau cathodique fin, 6, modulable en intensité et direction, et composé d'un canon à électrons 51 ,9 comprenant une électrode de commande de l'intensité du faisceau produit par le canon,et d'un système de concentration et de déviation 52 qui assure le balayage point par point de la pièce 11. Un générateur de signaux 7, par exemple du type utilisé en télévision, assure l'alimentation modulée du canon et la commande de la déviation du faisceau, la seule différence avec un système du type télévision étant qu'ici le signal à l'entrée 71 du bloc 7 provient du programme d'usinage fourni par une calculatrice par exemple, avec un interface pour l'adaptation des signaux de la calculatrice aux circuits d'entrée du bloc 7, la loi de modulation puissance du faisceau/déviation étant entièrement déterminée par le programme d'usinage en question. lie champ électromagnétique haute fréquence excité par l'enrou- lement 51 ionise le gaz ; les électrons au voisinage de la pièce 11 sont absorbés et créent une polarisation négative de la surface de la pièce par rapport au plasma. lie canon bombarde à travers la décharge gazeuse la surface il à usiner, provoquant ainsi sur celle-ci l'apparition de charges électriques, négatives en l'absence d'émission secondaire ou tout au moins tant que le coefficient d'émission secondaire S est Or, cette épaisseur est d'autant plus faible que la densité d'électrons dans le plasma est plus élevée ; on utilisera donc de préférence des plasmas à grande densité électronique. Un moyen d'y parvenir, toutes choses égales par ailleurs, est d'exciter le plasma à une fréquence très élevée, en hyperfréquence notamment. lies résolutions atteintes peuvent être très grandes, par exemple 100 microns, la vitesse d'érosion pouvant, elle, être modulée dans de larges mesures (~200 par modulation de la pbu-issance du canon. Une foins 'arrosé par le faisceau, un élément de surface subit l'érosion ionique modifiée par le faisceau électronique, aussi longtemps que le plasma n'a pas neutralisé les charges déposées par le faisceau ; la rapidité de l'usinage n'est pas ici-limitée par celle d'un balayage ; elle peut même être très grande du fait que le courant électronique est très supérieur à celui qui serait obtenu avec le seul bombardement ionique. Or, ce courant est le facteur déterminant utilisé par l'invention pour contrôler le flux d'ions atteignant la surface ; le procédé suivant l'invention ne présente donc pas les limites de rapidité ou de précision des systèmes connus précités. A la figure 2 est représenté un exemple préféré de mise en oeuvre de l'invention, avec des moyens de contrôle continu de l'usinage par une boucle d'asservissement du balayage électronique à un programme d'usinage préétabli. On retrouve sur cette figure les éléments essentiels de la figure 1, représentés avec plus de détails. Ainsi, l'enceinte comprend outre la platine 1, sur laquelle est montée la pièce à usiner 11, une couronne 2 soudée à un ballon isolant 3, de verre dans l'exemple, qui se termine à sa partie inférieure par un col 4 dans lequel est logé le canon 51 de l'exemple précédent, et auquel est raccordé le dispositif de concentration et balayage 52. Dans cet exemple, le contrôle permanent de l'érosion est effectué au moyen d'un interféromètre optique. A cet effet, un laser 13 produit un faisceau lumineux cohérent 12 qui traverse un premier miroir semi-transparent 15 à 450, puis un second miroir 14 à faible transparence en incidence normale, va se réfléchir sur la surface usinée de la pièce 11 et revient sur lui-même grâce à une lentille 16 et un prisme orientable 18. Après avoir traversé le miroir 14, la lumière se superpose avec la partie du faisceau incident 12 qui est réfléchie directement par 14, l'intensité résultante dépendant des différences de phase de ces signaux, c'est-à-dire du trajet optique entre le miroir 14 et la pièce 11. La lumière ainsi formée est partiellement renvoyée par le miroir 15 vers la lentille 17 et concentrée sur le photomètre 19 dont le signal électrique de sortie est transformé en 20 dans un transformateur analogique numérique, puis appliqué à l'entrée 211 d'un calculateur 21 où il est comparé aux signaux du programme d'usinage mis en mémoire et introduits dans le calculateur par l'entrée 212. La sortie du calculateur alimente l'entrée sans repère du générateur 7 qui commande les systèmes 52 et 51 de déviation et de réglage de l'intensité du faisceau (électrode de commande). Ce générateur comporte de façon connue des amplificateurs à gain variable. L'exemple de réalisation décrit convient sans modification à l'usinage de pièces en matériaux non susceptibles de donner lieu à la formation de vapeur métallique par décomposition chimique; sinon, il pourra être nécessaire de protéger la surface interne de l'enceinte isolante 3 contre la métallisation. Les isolants ne posent pas ce problème ; par contre, érosion peut être ralentie, toutes choses égales d'ailleurs, par le fait que leur coefficient ss d'émission électronique secondaire peut entre supérieur à I, la surface de la pièce se trouvant alors chargée positivement par rapport au plasma ; néanmoins, la rapidité de l'érosion reste supérieure à celle de l'art antérieur. Comme indiqué, la résolution est d'autant plus grande notamment que la diamètre de la plage du plasma d'où sont extraits les ions tombant sur un point bombardé est plus petit. Or, cette plage est d'autant plus petite que la densité d'électrons dans le plasma est plus grande ; aussi pour les applications exigeant une grande résolution, dans une disposition préférentielle de l'invention, on utilise un générateur hyperfréquence 42, l'enroulement 31 de la figure précédente étant alors remplacé par une cavité résonnante 40 disposée, comme le montre schématiquement la vue partielle de la figure 3, autour de l'enceinte 3, sur laquelle elle est serrée par un joint élastique 44 et qui reçoit l'énergie hyperfréquence par l'antenne 60. nour améliorer la durée de vie de la cathode du canon à électrons , il est prévu dans le cadre de l'invention de munir le dispositif d'une installation de vide permettant de réduire la pression dans la région du col 4 (figures 2 et )). Cette installation, non représentée, est raccordée au dispositif au niveau de la tubulure horizontale située dans la partie inférieure de ces figures. lie procédé suivant l'invention, comme tous les procédés par bombardement ionique, permet de réaliser des programmes d'usinage d'une complexité et d'une précision qui ne peuvent être obtenus aveo les systèmes mécaniques, ainsi que de procéder à l'usinage de certains matériaux réputés particulièrement difficiles. il présente, outre les avantages d'une grande vitesse d'usinage et d'une résolution élevée, déjà mentionnés, celui d'un échauffement global de la pièce à usiner moindre que dans les procédés connus, par suite de la meilleure économie sur le faisceau d'ions réalisée dans les dispositifs de l'invention par la commande sélective de l'énergie du bombardement en chaque point de la surface à usiner. L'invention s'applique notamment à la fabrication de guides diélectriques plats pour ondes millimétriques et de lentilles asphériques. REVENDICATIONS 1. Procédé d'usinage de la surface d'une pièce par bombardement ionique, caractérisé par la combinaison d'une décharge électrique dans un gaz à basse pression en contact avec la surface de la pièce à usiner et d'un balayage de la surface à usiner, à travers le gaz ionisé, par un faisceau électronique focalisé dont l'intensité et la déviation sont modulées en fonction de l'usinage recherché. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication I, comportant une enceinte étanche, des moyens pour faire pénétrer dans l'enceinte un gaz ionisable, des moyens pour ioniser ledit gaz, caractérisé en ce qu'il comporte un canon à électrons en communication avec ladite enceinte,capable de produire en fonctionnement un faisceau d'électrons se propageant dans ladite enceinte, un dispositif de focalisation et de déviation dudit faisceau assurant la focalisation et la modulation du faisceau en intensité et en direction de manière à balayer point par point la surface à usiner , une électrode de commande de l'intensité dudit faisceau, et des moyens de commande du dispositif de focalisation et de déviation et de ladite électrode de commande suivant toute loi d'usinage préalablement choisie 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que, en vue notamment de prolonger la durée de vie de la cathode, il comporte des moyens pour réduire la pression du gaz dans 11 enceinte au niveau du canon électronique. 4. Dispositif suivant la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en outre par un dispositif de contrôle de l'usinage de chaque point de ladite surface par interférences optiques, fournissant un signal de sortie à un calculateur comparant ledit signal de sortie avec un signal de référence et fournissant les signaux de commande auxdits moyens. 5. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ionisation comportent un générateur hyperfréquence associé à une cavité résonnante.