Développement d’une machine et du contrôle d’un procédé d’usinage électrochimique pour matériaux difficiles à usiner

Villeneuve, Guillaume (2022). Développement d’une machine et du contrôle d’un procédé d’usinage électrochimique pour matériaux difficiles à usiner. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire a pour but de faire des avancements dans le développement d’un procédé d’usinage électrochimique, la gravure chimique assistée par étincelage (Spark-Assisted Chemical Engraving, SACE). Le procédé SACE a des applications particulièrement pour la fabrication de formes à l’échelle des dizaines aux centaines de micromètres dans des matériaux durs et fragiles. Notamment, le verre, qui sera le cas à l’étude, est utilisé dans les systèmes micro-électromécaniques et microfluidiques.

Le SACE est présentement un procédé académique, avec peu d’adoption en industrie. Ceci est dû à un manque de contrôle sur le procédé, menant à une mauvaise répétabilité des formes usinées. L’objectif principal de ce projet de recherche est l’identification d’un signal de rétroaction permettant un meilleur contrôle sur le procédé. La mesure du courant électrique passant par les électrodes est un bon candidat, et sera étudiée ici.

Premièrement, la littérature en micro-usinage du verre a été revue. La niche que pourrait occuper le SACE dans l’industrie a été identifiée, principalement dans le contexte de prototypage rapide et production en petite série. Ensuite, l’état de l’art du SACE a été étudié. Les enjeux actuels ont été identifiés et des avenues de recherche pertinentes permettant d’améliorer le procédé et son adoption en industrie ont été proposés.

Deuxièmement, deux machines SACE ont été conçues et développées. La première, ayant une très bonne précision de positionnement, offre de nombreuses avenues de recherche par sa flexibilité et facilité d’interface. Le système de contrôle de celle-ci a été programmé, incluant un module pour AutoCAD permettant la création de parcours d’outil spline. La seconde, simple et à faible coût, a permis de faire des essais à faible délai. Elle a été conçue et fabriquée à base d’une fraiseuse de bureau à commande numérique.

Finalement, une étude a été complétée et soumise à une revue scientifique avec comme objet l’utilisation du signal de courant en usinage SACE. Des opérations SACE de base ont été exécutées avec la machine à faible-coût. Deux applications ont été proposées : un palpage sans contact, en profitant d’un pic dans le courant à l’approche de l’outil, et puis un monitorage de l’état du film gazeux entourant l’outil, ce qui affecterait la stabilité des décharges et l’uniformité de l’enlèvement de matière.

Titre traduit

Development of an electrochemical machining process for hard-to-machine materials

Résumé traduit

This thesis aims to make advances in the development of an electrochemical machining process, Spark-Assisted Chemical Engraving (SACE). SACE has applications for the machining of features in the sub-millimeter scale in hard and fragile materials. In particular, glass is used in microelectromechanical and microfluidic systems and the processes available to machine it are limited.

SACE is currently an academic process, with limited adoption in industry. This is due to a lack of control over the process, leading to poor repeatability of the machined shapes. The main objective of this research project is the identification of a feedback signal allowing a better control on the process. The measurement of the electric current passing through the electrodes will be studied as a good candidate.

First, the literature in glass micromachining is reviewed. The industry niche that SACE could occupy is identified, mainly in the context of rapid prototyping and small series production. Then, the state of the art of SACE is studied. Current issues are identified and relevant research avenues to improve the process and its adoption in industry are explored.

Secondly, two SACE machines are designed and developed. The first, having a very good positioning accuracy, offers many avenues of research by its flexibility and ease of interface. The control system of this machine is designed and programmed, including a module for AutoCAD allowing the creation of spline tool paths. The second one, simple and low cost, allows execution of tests with low delay. This machine is designed and manufactured using a desktop CNC milling machine.

Finally, a study is completed and submitted to a scientific journal with the purpose of using the current signal in SACE machining. Basic SACE operations are performed with the low-cost machine. Two applications are proposed : non-contact probing, taking advantage of a peak in the current as it approaches the tool, and then monitoring the state of the gas film surrounding the tool, which would affect the stability of the discharges and the uniformity of the material removal.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 103-110).
Mots-clés libres:	micro-usinage, verre, systèmes micro-électromécanmiques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Hof, Lucas
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	20 févr. 2023 16:09
Dernière modification:	20 févr. 2023 16:09
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3180

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