Brevet FR2831996A1 — publié le 20030509

L'invention concerne un guide d'ondes, une antenne et un ensemble antenne-guide d'ondes destinés à être utilisés dans un système d'émission et/ou réception d'ondes électromagnétiques, ainsi que leur procédé de réalisation. La demande de brevet JP 61-281 602 concerne la réalisation d'un tube pour guide d'ondes en alliage à base de magnésium par extrusion. Ce procédé n'est toutefois pas adapté à la réalisation d'une antenne et/ou d'un guide d'ondes dont la section n'est pas constante. Pour remédier à ce défaut, l'invention propose un procédé de réalisation d'un guide d'ondes comportant au moins une pièce en alliage à base magnésium, comportant une étape de moulage de ladite pièce. Selon d'autres caractéristiques : Le procédé comporte une étape d'assemblage de la pièce par soudure laser ; - l'étape de moulage est une étape de moulage en dépression ; - l'étape de moulage est une étape de moulage thixotropique ; - l'étape d'assemblage est une étape de soudure par transparence ; - l'étape d'assemblage est une étape de soudure par joint. L'invention propose également un guide d'ondes comportant au moins une pièce moulée dans un alliage à base de magnésium. Selon d'autres caractéristiques : - la pièce est assemblée par soudure laser ; - la pièce est un filtre. L'invention propose aussi un guide d'ondes comportant une pluralité d'éléments, chaque élément étant moulé en alliage à base de magnésium et assemblé à au moins un autre élément par soudure laser. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit faite en référence aux figures qui suivent : Figure 1 : source assemblée Figure 2 : Corrosion du magnésium en fonction de sa composition Figure 3 : Structure dendritique d'un alliage AI-Mg Figure 4 : Diagramme d'état d'un alliage Mg AI Figure 5 : Structure dentritique puis thixotropique d'un alliage Mg AI Figure 6 : Flux de matière thixotropique lors d'un remplissage Figure 7 : Coupe de la source assemblée Figure 8 : Vue éclatée de la source Figure 9 : Cornet et début de la transition Figure 10 : Vue éclatée du séparateur polarisateur Figure 11 : Coupe partielle du séparateur polarisateur assemblée Figure 12 : Accès TX Figure 13 : Filtre Figure 14 : Filtre Rx, vue 2D avec les côtes Figure 15 : Filtre Rx, vue 3D Dans toute la suite, l'ensemble antenne-guide d'ondes apte à émettre et recevoir des ondes électromagnétiques est dénommé source. Comme visible en figure 1, la source est composée de différentes pièces issues de moulage puis assemblées. Elle se compose d'un cornet équipé d'une transition, d'un séparateur polarisateur et d'accès TX/RX (émission/réception). Ce montage sera détaillé dans le chapitre 3. Nomenclature pour la figure 1 : 1 : cornet 2 : transition 3 : séparateur polarisateur 4 : accès RX 5 : accès TX 6 : filtres RX Deux éléments de la source servent d'interface : - interface source/mécanique : le diamètre extérieur de la transition 2 autorise une liaison pivot avec la mécanique permettant une rotation de la source autour de son axe de 180'pour régler la polarisation. Ce degré de liberté est supprimé lors du serrage final après installation in situ de l'ensemble. Interface source/électronique : les trois accès RX et TX sont localisés dans un même plan afin de faciliter l'implantation électronique en utilisant une seule carte, par exemple par vissage au travers de la carte, avec ajout d'une corolle rectangulaire autour des accès. 1. Choix matière et mode d'obtention La matière utilisée est un alliage de magnésium pour fonderie sous pression ou par thixotropie. 1. 1. Choix de la matière Le tableau ci-dessous donne les principales caractéristiques des matériaux a priori utilisables pour la réalisation d'un guide d'onde en grande série. Matériaux Densité Usinabilité Traitement Note De surface Pastique 1,03 Faible Dépôt-coefficient de dilatation métallique important Magnésium 1,8 Bonne A évaluer-matière oxydable - technologie d'obtention récente Aluminium 2, 7 Bonne Sans Zamak 6, 7 Moyenne sans Tableau 1 : Comparatif des matières Les matières plastiques sont rejetées pour leurs coefficients de dilatation trop importants qui ne répondent pas aux précisions demandées de 2 centièmes de millimètre, associées à une application extérieure. En effet lors d'une variation de température de 30 , les dimensions intérieures varieront d'une valeur de 8 centièmes de millimètre. L'alliage Zamak était très utilisé dans l'industrie pour obtenir des pièces de moulage de précision, par exemple les carburateurs des moteurs à explosion, et aussi pour l'excellente durabilité des moules. Mais sa densité de 6, 7 implique une masse trop importante qui compromettrait les précisions de pointage demandées. L'aluminium quant à lui ne permet pas la réalisation de pièces moulées aux précisions demandées, une reprise d'usinage se révèle nécessaire et au vue des formes complexes, des rayons imposés, cela induit un surcoût en terme d'investissement et de temps d'obtention. Notre choix se porte donc sur le magnésium. 1. 2. Caractéristiques principales du magnésium Ce chapitre décrit les caractéristiques physiques des alliages de magnésium, leurs compositions chimiques et les phénomènes de corrosion. 1.2. 1. Caractéristiques physiques Le magnésium se différencie de l'aluminium par une densité plus faible et proche des plastiques, ces tenues mécaniques sont équivalentes et sa température de fusion est plus faible ce qui facilite sa mise en oeuvre lors du moulage (Tableau 2). Module e de Ratio Densité Temp fusion Matériaux traction contrainte/masse G/crnCMpa AZ 91 1,82 596 187 187 Magnésium AM 60 1,79 615 180 180 Aluminium AISI 380 2, 7 595 106 106 Conductivité Résistivité Elongation Matériaux thermique électrique W/m-K n-cm % AZ 91 72 17 8 Magnésium AM 60 62 10 15 Aluminium AISI 380 100 5 106 Tableau 2 : Propriétés du magnésium et de l'aluminium Le magnésium, outre des propriétés mécaniques équivalentes à celles de l'aluminium, agit comme absorbeur de vibration et de part sa capacité à supporter de fortes contraintes pour une masse donnée permet la réalisation de parois minces. Les propriétés de conductivité du magnésium influent sur les performances du guide d'onde, ce sont donc elles qui guideront notre choix. Celui se porte donc sur l'alliage AM60 (Tableau 3) qui possède la plus faible résitivité électrique. Composition chimique (% de la masse) Alliage Impuretés Al Zn Mn Si, Fe, Cu, Ni AZ91*8, 3-9, 70. 35-1. 00. 13-0. 150. 1-1. 1 AM60 * 5. 5 -6. 5 0, 22 0. 13 - 0. 25 0. 5 -0. 8 suffixe en fonction de la pureté Tableau 3 : Composition chimique d'alliage de magnésium 1.2. 2. La corrosion du magnésium La corrosion du magnésium se présente sont deux aspects : - Corrosion sous l'effet d'actions extérieures comme les sels marins - Corrosion galvanique au contact d'autres métaux La corrosion du magnésium est directement liée à sa composition chimique. Cet aspect a été un frein à son développement industriel. De nouveaux alliages ont été élaborés permettant son utilisation dans de nombreuses applications telles que l'automobile, l'aéronautique. Plongé dans une solution électrolytique le magnésium se comporte comme une anode. La figure 2 montre les effets d'une solution de NaCI dosée à 3% au contact d'alliage de magnésiums de différente composition. Notre choix devra donc se porter vers un alliage comportant peu de fer, de nickel, de cobalt et de cuivre qui induisent une réaction rapide. Par contre la présence de manganèse stabilise l'alliage sans pour autant modifier ses propriétés mécaniques. De plus la figure ci-dessus montre que qualité et la variabilité d'obtention de l'alliage est un paramètre important. Suite à une recherche, nous avons trouvé un alliage de haute pureté AM60HP qui a été développé pour ses qualités anticorrosives. Composition chimique (% de la masse) Alliage Impuretés Al Zn Mn Fe Ni Cu Si Autres AM 60 5. 5 6.5 0. 22 > 0. 13I0. 01 0. 25 0. 2 03 AM60HP 5. 5 6.5 1 0. 2 1 > 0. 25 1 0. 005 1 0. 0015 1 0. 01 1 0. 2 0. 1 Tableau 4 : Composition de l'alliage AM60 et AM60HP La corrosion sous l'effet galvanique nous impose d'être précautionneux lors des assemblages. En effet au contact de matériaux comme le fer ou le cuivre la corrosion est rapide. A titre comparatif la figure nous renseigne sur la vitesse de corrosion de différents alliages. Là encore le choix de l'alliage se révèle très important, soit il se rapproche des performances de l'aluminium comme le AZ 91 soit un facteur 10 intervient. 8 1-1 En conclusion l'alliage de magnésium, bien que corrosif, peut être utilisé moyennant quelques précautions : - Eviter les assemblages avec des métaux inappropriés - Choix de l'alliage en fonction de l'application - Utilisation si besoin de revêtement du type résine. 1. 3. Mode d'obtention de composants en magnésium Les pièces en magnésium peuvent s'obtenir suivant deux procédés : - Moulage en dépression - Moulage par thixotropie 1.3. 1. Le moulage par dépression ou die-casting Le moulage par injection est scindé en trois phases, injection de la matière à l'état liquide, réalisation d'une dépression à l'intérieur du moule et solidification de la matière. Ce procédé est largement usité avec l'aluminium. En utilisant le magnésium, les dépouilles obtenues sont inférieures à 0, 5 , les rayons sont de 0,2 mm maximum et les précisions de l'ordre de ±20 um. A titre de comparaison en alliage d'aluminium les caractéristiques ci-dessus deviennent 1, 50 pour les dépouilles, ± 50 um en précision générale. Néanmoins le risque principal de cette technologie est l'apparition de bavure et l'usure du moule. En effet la matière étant injectée à l'état liquide, des usures par cavitation au niveau des canaux d'arrivée se produisent provoquant une détérioration des outillages. De plus des bavures peuvent se former aux plans de joints. En résumé, cette technologie, certes utilisable demande un soin tout particulier lors des études d'industrialisation et lors de la réalisation des outillages. De plus l'utilisation de magnésium à l'état liquide impose l'utilisation de gaz neutre de protection ainsi qu'un ensemble de sécurité. Cet aspect rend les moyens de production moins flexible et plus onéreux. 1.3. 2. Moulage thixotropique Le principal intérêt cette de technologie est de travailler la matière à l'état pâteux donc en dessous du point de fusion. Dans cet état la quantité de matière à l'état liquide est égale à celle de l'état solide, cet état est appelé dendritique. Cela n'est possible que pour les matières présentant un état thixotropique. Lors du processus d'injection, la matière est chauffée pour obtenir l'état dendritique puis au travers d'une vis sans fin, les parties solides sont coupées afin de tendre vers l'état thixotropique (Fig. 5). L'avantage de cette technologie est de réaliser l'injection, non sous la forme d'un flux turbulent de matière liquide, mais par un remplissage stable de matière pâteuse à une température plus faible. En conséquence, la matière remplit correctement le moule et ce processus améliore les qualités intrinsèques de la pièces. Le nombre de porosités ou bulles d'air qui se forment à l'intérieur et en surface de la matière tend vers zéro (inférieur à 1 %), les dépouilles sont quasiment nulles, les tolérances de ±25 um en épaisseurs sont possibles. En résumé les avantages principaux sont : - Réalisation de parois fines (0,3 mm) sans dépouilles. - Obtention d'état de surface proche de pièces usinées, Ra Moulage avec des rayons inférieurs à 0,2 mm durant la durée de vie du moule Augmentation de la durée de vie des moules grâce à une température d'injection plus faible. Quasi-absence de bavures sur les pièces. 2. Mode d'assemblage Différents assemblages avec le magnésium peuvent être envisagés : - Vissage - Collage - Soudure par faisceau laser Le processus de vissage est éliminé pour deux raisons majeures, le surcoût de matière et de main d'oeuvre pour sa mise en application, ainsi que pour les risques de couple galvanique crée au contact du magnésium (paragraphe 1.2. 2). Le collage est un processus maîtrisé dans l'industrie automobile mais sa pérennité dans le temps et sa complexité à mettre en oeuvre rendent son usage difficile dans le cadre de cette application de micro mécanique. De plus les efforts de cisaillement provoqués lors des changements de température jour nuit diminueront la durée de vie de l'assemblage. En effet les assemblages de collage résistent aux efforts de traction et compression mais sont très sensibles aux phénomènes de pelage qui exercent des efforts perpendiculairement au plan de joint. L'assemblage par soudure laser est quant à lui très stable dans le temps et est approprié pour les alliages légers comme l'aluminium, le magnésium. Deux types de soudure peuvent être mis en oeuvre : Soudure par transparence Soudure par joint 2. 1. Soudure par transparence Le faisceau laser frappe sur la surface de la première pièce, la traverse et fait fondre localement la matière de la deuxième pièce, en refroidissant, les deux pièces sont assemblées. Pour ce processus l'épaisseur des parois traversées doit être faible pour permettre au laser de chauffer localement les parties en contact et permettre une fusion de la matière. Si l'épaisseur trop importante, on doit augmenter l'énergie du tir ainsi que sa durée. Dans ce cas, on obtient un impact de forte puissance suivi de projections de magnésium en fusion avec pour résultat une soudure de mauvaise qualité (aspect visuel, tenu physique). Ce procédé s'appliquera pour toutes les pièces de fine épaisseur telle que les couvercles. 2.2. Soudure par plan de joint Ce type de soudure est à privilégier lors de l'assemblage de pièces à forte section. En particulier pour tous les composants conçus en demi-coquille et donc symétriques. La soudure s'opère par point ou en cordon suivant les mêmes spécifications que la soudure par transparence. De nombreux essais menés en interne avec un laser pulsé ont permis de mettre au point ce procédé qui réalise une parfaite homogénéité de la matière et un bon remplissage des cratères. Les tenues à l'arrachement sont de l'ordre de 15 Kg pour une soudure composée de trois cordons de trois impacts chacun. Cette valeur est amplement suffisante pour une tenue statique, elle peut, si besoin, être ajustée par le nombre de cordons et d'impacts. 3. Définition de la source En respectant les contraintes résultant du choix de la matière, une source composée de pièces en magnésium moulé et assemblée par soudure laser est proposée. Afin de pouvoir produire en grande série, les opérations d'assemblage ainsi que le nombre de pièces ont été minimisés. Ces deux derniers aspects affectent directement les coûts de réalisation et les investissements. La forme des différentes pièces ainsi que leur assemblage apparaissent clairement au vu des figures 7 à 13. Les figures 7 et 8 représentent l'ensemble de la source. La suite décrit les éléments fonction par fonction. 3. 1 Cornet (figure 9) Il s'agit de deux pièces de révolution de diamètre extérieur 60,55 mm. L'ensemble des deux pièces est assemblé par soudure laser par joint sur la périphérie extérieure. 3.2 Ensemble séparateur, polarisateur Cet ensemble de quatre pièces représentée en figure 10 est assemblé par soudure par transparence deux à deux puis par soudure sur joint entre elles, comme décrit en figure 11. La conception est sur le principe du couvercle. 3.3 Accès Tx L'accès Tx (partie réservée à l'émission) est conçu dans le principe boite couvercle. Le couvercle (en haut sur la figure 12) n'a qu'une fonction de fermeture, l'assemblage sera réalisé par soudure par transparence au travers du couvercle. 3.4 Filtre Le filtre (figure 13) est composé de deux pièces symétriques que seront assemblées par soudure sur plan de joints. Cette définition permet de diminuer le nombre de moules nécessaires. La figure 14 présente une vue 2D du filtre avec les côtes (en mm), et la figure 15 montre une vue 3D. Ce filtre est utilisé pour la réception en bande Ku. Revendications 1. Procédé de réalisation d'un guide d'ondes comportant au moins une pièce en alliage à base de magnésium, comportant une étape de moulage de ladite pièce. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d'assemblage est une étape de soudure par transparence. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d'assemblage est une étape de soudure par joint. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comportant une étape d'assemblage de la pièce par soudure laser. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel l'étape de moulage est une étape de moulage en dépression. 6. Procédé selon la revendication 4 dans lequel l'étape de moulage est une étape de moulage thixotropique. 7. Guide d'ondes comportant au moins une pièce moulée dans un alliage à base de magnésium. 8. Guide d'ondes selon la revendication 7, dans lequel la pièce est assemblée par soudure laser. 9. Guide d'ondes selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la pièce est un filtre. 10. Guide d'ondes comportant une pluralité d'éléments, chaque élément étant moulé en alliage à base de magnésium et assemblé à au moins un autre élément par soudure laser.