Brevet FR2948892A1 — publié le 20110211

La présente invention concerne le domaine technique du micro-usinage par enlèvement de matière, de pièces relevant de la microtechnologie et elle vise plus précisément un procédé permettant de positionner un micro-outil d'enlèvement de matière. L'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse mais non exclusivement, dans le domaine de la fabrication des microsystèmes au sens général. Dans l'état de la technique, il est apparu la possibilité de façonner des matériaux à l'échelle du micron ou inférieur au micron en vue d'obtenir des microsystèmes susceptibles de trouver de nombreuses applications notamment dans les domaines des capteurs, des microsystèmes séparatifs appliqués à la chimie analytique, des composants électroniques tels que les transistors. Afin de pouvoir réaliser de très petits motifs sur une pièce, il peut être envisagé d'améliorer les techniques d'usinage par enlèvement de matière, d'utiliser les techniques d'enlèvement de matière par laser ou par électroérosion et/ou développer des techniques par lithographie. Dans de nombreuses applications, il apparaît nécessaire de recourir à plusieurs de ces techniques qui présentent chacune leurs inconvénients et leurs avantages spécifiques. A cet égard, il doit être noté que la technique d'usinage par enlèvement de matière présente une imprécision due notamment aux défauts de perpendicularité et de rectitude des tables de support et de déplacement de la pièce selon les trois axes. Cette imprécision devient problématique lorsque l'opération d'usinage par enlèvement de matière est à réaliser sur une pièce obtenue par d'autres techniques telles que par lithographie ou électroérosion. Il apparaît difficile voire impossible d'obtenir un positionnement précis compatible avec les façonnages déjà réalisés. La présente invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant un procédé permettant de positionner un micro-outil d'enlèvement de matière afin de s'affranchir des défauts de perpendicularité et de rectitude des tables de support et de déplacement de la pièce à façonner. Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé de positionnement des micro-outils d'enlèvement de matière compatible avec les autres techniques de façonnage notamment de micro-usinage par des procédés lithographiques. Pour atteindre un tel objectif, l'invention concerne un procédé pour positionner à l'aide d'un microscope muni d'un réticule, une pièce pour permettre son usinage en un point d'usinage, à l'aide d'un micro-outil d'enlèvement de matière. Selon l'invention - on déplace la pièce par rapport au micro-outil afin de réaliser une empreinte sur la pièce à l'aide du micro-outil, - on écarte selon l'axe d'une première mesure, la pièce par rapport au micro-outil afin de la placer dans une position de référence dans laquelle on visualise l'empreinte dans le réticule du microscope, - on déplace la pièce selon l'axe d'au moins une deuxième mesure pour placer le point d'usinage de la pièce dans le réticule du microscope, - et on rapproche selon l'axe la pièce du micro-outil d'une valeur égale à la somme des première et deuxième mesures axiales pour assurer l'usinage par le micro-outil, de la pièce au point d'usinage. Selon une variante de réalisation, le procédé consiste à choisir comme point d'usinage, un repère optique réalisé sur la pièce ou présenté par la pièce. Selon une autre variante de réalisation, le procédé consiste à choisir le point d'usinage par rapport à un repère optique réalisé sur la pièce ou présenté par la pièce. Selon un exemple d'application, le procédé consiste à visualiser l'empreinte à travers la pièce de nature transparente. Selon un autre exemple d'application, le procédé consiste à visualiser l'empreinte à travers une pièce intermédiaire de nature transparente assemblée fixement à la pièce à usiner de nature opaque. Avantageusement, le procédé consiste à maintenir en position fixe le microscope lors du positionnement du point d'usinage de la pièce dans le réticule du microscope. Selon une variante préférée de réalisation, le procédé consiste à visualiser l'empreinte dans le réticule du microscope lors de la réalisation de l'empreinte sur la pièce. Avantageusement, le procédé consiste à déplacer le microscope pour visualiser et centrer l'empreinte dans le réticule du microscope. Un autre objet de l'invention est de proposer une machine outil pour la mise en oeuvre du procédé de positionnement conforme à l'invention. A cet effet, la machine outil pour usiner à l'aide d'un micro-outil rotatif une pièce supportée par un premier système de positionnement comporte : - un microscope comportant un réticule et déplaçable par un deuxième système de positionnement, le microscope s'étendant d'un côté de la pièce située du côté opposé de celui occupé par un micro-outil, - un dispositif de commande des systèmes de positionnement pour déplacer la pièce et le microscope selon le procédé conforme à l'invention. Avantageusement, la machine outil comporte un microscope équipé d'une caméra reliée à un écran de visualisation sur lequel est tracée une mire jouant le rôle de réticule. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. Les Figures 1 à 5 illustrent diverses étapes caractéristiques du procédé de positionnement conforme à l'invention. La Figure 6 est une vue d'un exemple de réalisation d'une pièce par le procédé conforme à l'invention. La Figure 7 est une vue d'un autre exemple de pièce susceptible d'être façonnée par le procédé conforme à l'invention. L'objet de l'invention concerne un procédé adapté pour positionner une pièce afin d'assurer son usinage à l'aide d'un micro-outil d'enlèvement de matière à l'aide d'une machine outil représentée uniquement à titre schématique sur les dessins dans la mesure où la réalisation est bien connue de l'homme du métier. Tel que cela ressort plus précisément des Fig. 1 à 5, la machine outil 1 comporte un micro-outil d'enlèvement de matière 2 tel qu'une fraise ou un foret entraîné en rotation autour de son axe A. Pour les besoins de l'invention, le micro-outil d'enlèvement de matière 2 peut être fixe dans l'espace, c'est-à-dire immobile selon les trois axes perpendiculaires de l'espace X, Y, Z. La machine outil 1. comporte également un premier système 4 de déplacement pour une pièce 5 à usiner. Ce premier système de déplacement 4 tel une table est monté classiquement par tous moyens de guidage appropriés sur un bâti afin de pouvoir être translaté dans l'espace selon les trois axes X, Y, Z. De manière classique, ce premier système de déplacement 4 comporte un support de fixation adapté à la pièce 5 à usiner. La pièce 5 est représentée à titre schématique, mais comporte divers composants ou parties pour former un microsystème. La pièce 5 est réalisée en tous matériaux appropriés. Dans l'exemple illustré sur les Fig. 1 à 6, la pièce 5 est réalisée en un matériau transparent tel qu'un polymère. La machine outil 1 comporte également un deuxième système de déplacement 7 monté par tous moyens de guidage approprié sur un bâti pour pouvoir se déplacer dans l'espace selon les trois axes X, Y, Z. Ce deuxième système de déplacement 7 tel une table est adapté pour être équipé d'un microscope optique 9 de tous types connus en soi. Avantageusement, le microscope optique 9 est muni d'un réticule ou d'une mire permettant grâce à la profondeur de champ réduite du microscope optique, de matérialiser un repère 10 pour permettre des alignements comme cela sera expliqué dans la suite de la description. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, le microscope 9 et par suite le deuxième système de déplacement 7 est placé par rapport à la pièce 5 du côté opposé du micro-outil 2 afin de pouvoir être aligné avec l'axe du micro-outil 2 comme cela sera expliqué dans la suite de la description. Dans la mesure où la pièce 5 est transparente, le microscope 9 est apte à visualiser tous points de la pièce 5. Les systèmes de déplacement 4, 7 sont de préférence motorisés et pilotés par un dispositif de commande comportant un ordinateur et un écran. Classiquement, l'ordinateur envoie les instructions de déplacement à l'électronique de pilotage des moteurs équipant les systèmes de déplacement 4, 7. Le microscope optique 9 est équipé avantageusement d'une caméra permettant de visualiser sur l'écran de l'ordinateur, la zone observée. Dans ce cas, une mire tracée sur l'écran peut jouer le rôle de réticule. La machine outil 1 décrite ci-dessus permet de mettre en oeuvre un procédé pour assurer l'usinage de la pièce 5, à l'aide du micro-outil 2, en un 10 point d'usinage repéré C sur les Fig. 1 à 5. Le procédé selon l'invention consiste, comme cela apparaît aux Fig. 1 et 2, à déplacer la pièce 5 à l'aide du premier système de positionnement 4 par rapport au micro-outil 2 afin de réaliser, une empreinte 11 sur la pièce 5 à l'aide du micro-outil 2. Cette empreinte 11 est réalisée sur une partie non 15 fonctionnelle de la pièce 5. Dans l'exemple illustré, l'empreinte 11 est réalisée sur une face principale 51 de la pièce 5. La réalisation de cette empreinte 11 est visualisée à l'aide du microscope 9. Selon cette variante préférée de réalisation, le microscope 9 est déplacé à l'aide de son système de déplacement 7 afin d'être focalisé sur 20 l'extrémité du micro-outil 2. Ensuite, la pièce 5 est déplacée en direction du micro-outil 2 à l'aide de son système de positionnement 4 de manière que le micro-outil 2 vienne au contact avec la pièce 5 pour réaliser une empreinte 11. L'enlèvement de la matière est limité à une profondeur juste suffisante pour être visible par une trace ou une empreinte 11, observable 25 par le microscope 9. Avantageusement, l'empreinte 11 se trouve visualisée dans le réticule 10 du microscope 9. Il est à noter que l'alignement entre le microscope 9 et le micro-outil 2 et/ou l'empreinte 11 est possible par le montage du microscope 9 et du micro-outil 2 de part et d'autre de la pièce 5. 30 Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 3, le procédé consiste ensuite à éloigner la pièce 5 du micro-outil 2 à l'aide du système de déplacement 4. La pièce 5 est ainsi écartée par rapport au micro-outil 2, selon l'axe Z et selon une première mesure appelée Ze afin de placer l'empreinte 11 dans une position de référence correspondant à un plan de référence schématisé P. Dans cette position de référence, le microscope 9 est déplacé à l'aide du deuxième système de positionnement 7 afin de visualiser et de centrer l'empreinte 11 dans le réticule 10 du microscope 9. Le positionnement de l'empreinte 11 au centre du réticule 10 du microscope 9 permet de matérialiser de manière précise, un point de référence de l'espace. Le procédé consiste ensuite à déplacer la pièce 5 selon l'axe Z et au moins selon une deuxième mesure Zc pour placer le point d'usinage C de la pièce 5 dans la mire 10 du microscope 9. D'une manière générale et tel qu'illustré à la Fig. 4, la pièce 5 est déplacée par son dispositif de déplacement 4, selon des valeurs ZC, Xc, Yc, afin d'amener le point d'usinage C dans le réticule 10 du microscope 9. La pièce 5 est ainsi déplacée pour centrer le point d'usinage C sur le réticule 10 de manière à coïncider avec le point de référence de l'espace préalablement défini. Il est à noter que le microscope 9 reste fixe entre la position de référence de la pièce 5 illustrée à la Fig. 3 et la position de visualisation du point d'usinage C par le microscope 9 illustrée à la Fig. 4. Le procédé selon l'invention consiste ensuite à rapprocher selon l'axe Z, la pièce 5 du micro-outil 2 d'une valeur égale à la somme des première Ze et deuxième Zc mesures pour assurer l'usinage par le micro-outil 2 de la pièce 5 au point d'usinage C. Tel que cela ressort de la Fig. 5, la pièce 5 est donc déplacée par son système de déplacement 4 selon l'axe Z d'une valeur égale à ù (Ze+Zc) pour obtenir l'usinage désiré. Lors du déplacement de la pièce 5 selon l'axe Z, le microscope 9 reste fixe. Il ressort de la description qui précède que le positionnement de l'usinage est obtenu en superposant dans le temps, dans un point de référence de l'espace (centre du réticule 10 du microscope 9), l'image d'une empreinte 11 du micro-outil 2 laissée sur la pièce 5 et l'image de la zone C à usiner. Le positionnement obtenu en déplaçant la pièce 5 conduit à un positionnement virtuel du micro-outil 2 par rapport au point d'usinage C. Il permet ainsi d'anticiper la position qu'aura la pièce 5 par rapport au micro-outil 2 en fin d'usinage. Une telle méthode s'écarte des procédés connus qui reposent sur le positionnement de la pièce par rapport au micro-outil. Un tel procédé permet de s'affranchir de nombreux défauts d'alignement inhérents à la machine outil et en particulier des défauts de perpendicularité et de rectitude de la table porte-pièce 4. Entre les étapes illustrées aux Fig. 2 et 3, la pièce 5 est déplacée d'une valeur axiale Ze avec les défauts correspondants X=e et Yze. Puis entre les étapes illustrées aux Fig. 3 et 4, la pièce 5 est déplacée d'une valeur axiale Zc avec les défauts correspondants Xxc et Yu. Toutefois, dans la mesure où entre les Fig. 4 et 5, la pièce 5 est déplacée d'une valeur -- (Zc + Ze), les défauts précédents sont annulés. Un tel procédé permet d'obtenir une très bonne précision latérale selon les axes X, Y. Il est à noter que la pièce 5 n'est pas déplacée selon les axes X, Y entre l'étape de positionnement (Fig. 4) et l'étape d'usinage (Fig. 5). La technique de positionnement conforme à l'invention permet d'obtenir une très bonne précision. L'erreur de positionnement dépend uniquement de la reproductibilité des déplacements selon les axes X, Y, Z et des erreurs d'appréciation sur les images du microscope 9. Cette technique permet notamment d'obtenir une bonne concentricité pour des trous 15 devant être raccordés à des microcanaux 16 d'un système microfluidique 5 comme illustré à la Fig. 6. Il est à noter que la position du point d'usinage C peut être connue ou correspondre à un détail géométrique de la pièce 5 tel qu'un trou, un canal, une arête, etc. Par ailleurs, il est à noter que la position du point d'usinage C peut être connue par rapport à un repère réalisé ou présenté par la pièce 5, par exemple par des techniques de gravure lithographique. Dans l'exemple illustré, le microscope 9 permet de visualiser une 30 empreinte 11 réalisée par le micro-outil 2 sur une face opposée à celle à travers laquelle le microscope visualise l'empreinte. Dans le cas où la pièce 5 est réalisée en un matériau opaque (Fig. 7), il peut être envisagé de fixer de manière temporaire ou définitive à la pièce 5, une pièce 20 intermédiaire de nature transparente. Dans ce cas, l'empreinte 11 est réalisée sur la pièce transparente 20 comme décrit ci- dessus. Il est à noter que la pièce opaque 5 doit comporter au moins un repère de positionnement 21 sur la face 52 opposée de la face 51 située du côté du micro-outil 2 pour permettre de servir de point intermédiaire de positionnement pour le microscope 9 afin de réaliser ensuite l'usinage au point C dont la position par rapport au point intermédiaire 21 est connue. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS1 - Procédé pour positionner à l'aide d'un microscope (9) muni d'un réticule (10), une pièce (5) pour permettre son usinage en un point d'usinage (C), à l'aide d'un micro-outil d'enlèvement de matière (2), caractérisé en ce qu' : - on déplace la pièce (5) par rapport au micro-outil (2) afin de réaliser une empreinte (11) sur la pièce (5) à l'aide du micro-outil (2), - on écarte selon l'axe (Z) d'une première mesure (4), la pièce (5) par rapport au micro-outil (2) afin de la placer dans une position de référence dans laquelle on visualise l'empreinte (11) dans le réticule (10) du microscope (9), - on déplace la pièce (5) selon l'axe (Z) d'au moins une deuxième mesure (Zc) pour placer le point d'usinage (C) de la pièce (5) dans le réticule (10) du microscope(9), - et on rapproche selon l'axe (Z) la pièce (5) du micro-outil (2) d'une valeur égale à la somme des première (Ze) et deuxième (4) mesures axiales pour assurer l'usinage par le micro-outil (2), de la pièce (5) au point d'usinage (C). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à 20 choisir comme point d'usinage (C), un repère optique réalisé sur la pièce ou présenté par la pièce (5). 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à choisir le point d'usinage (C) par rapport à un repère optique réalisé sur la pièce (5) ou présenté par la pièce (5). 25 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à visualiser l'empreinte (11) à travers la pièce (5) de nature transparente. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à visualiser l'empreinte (11) à travers une pièce intermédiaire (20) de nature transparente assemblée fixement à la pièce (5) à usiner de nature opaque. 30 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir en position fixe le microscope (9) lors du positionnement du point d'usinage (C) de la pièce (5) dans le réticule (10) du microscope (9). 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à visualiser l'empreinte (11) dans le réticule (10) du microscope (9) lors de la réalisation de l'empreinte (11) sur la pièce(5). 8 - Procédé selon les revendications 1 et 7, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer le microscope (9) pour visualiser et centrer l'empreinte (11) dans le réticule (10) du microscope (9). 9 - Machine outil pour usiner à l'aide d'un micro-outil (2) rotatif une pièce (5) supportée par un premier système de positionnement (4), caractérisé en ce que la machine comporte : - un microscope (9) comportant un réticule (10) et déplaçable par un deuxième système de positionnement (7), le microscope (9) s'étendant d'un côté de la pièce (5) située du côté opposé de celui occupé par un micro-outil (2), - un dispositif de commande des systèmes de positionnement (4, 7) 15 pour déplacer la pièce (5) et le microscope (9) selon le procédé conforme à la revendication 1. 10 - Machine outil selon la revendication 9 caractérisée en ce que le microscope (9) est équipé d'une caméra reliée à un écran de visualisation sur lequel est tracée une mire jouant le rôle de réticule. 20