FR2893267A1

FR2893267A1 - Procede pour microstructurer des surfaces d'une piece et application du procede

Info

Publication number: FR2893267A1
Application number: FR0653977A
Authority: FR
Inventors: Gernot Repphun; Martin Voss; Frank Wrona
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2007-05-18
Also published as: DE102005047082A1; GB2430640B; US20070075035A1; GB0619072D0; GB2430640A

Abstract

Procédé de microstructuration de surfaces (5) d'une pièce (1) selon lequel :a) on place une pièce (1) à structurer dans un milieu liquide (10),b) on utilise une source lumineuse (20) pour générer une bulle de cavitation (25) dans le milieu liquide (10), etc) on génère une bulle de cavitation (25) avec la source lumineuse (20) de façon que lorsque ensuite la bulle de cavitation (25) s'effondre, elle structure la surface (5) de la pièce (1), notamment en enlevant de la matière de la surface (5).

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de

micro-structuration de surfaces d'une pièce. L'invention concerne également une application du pro- cédé. Etat de la technique Pour structurer les surfaces d'une pièce dans le domaine micrométrique, on peut utiliser un laser. Le laser génère un faisceau fin que l'on focalise à la surface de la pièce à structurer ; la chaleur au point de focalisation fait fondre la pièce à cet endroit. La matière fondue de la pièce peut être facilement enlevée. C'est ainsi que par exemple le document DE-4224282 Al décrit un procédé de microstructuration de verre par enlèvement de matière ; selon ce procédé, on irradie le verre avec un laser solide pulsé.

Les structures ainsi formées peuvent avoir selon l'enseignement de ce document, une largeur descendant en dessous de 10 m. Si les structures sont formées dans le domaine des microns par fusion de la matière, l'inconvénient fondamental est celui du relèvement des bords des microstructures. Si ces relèvements ou bourrelets ne sont plus d'une taille négligeable, il faut les enlever par une opération distincte. Une autre possibilité pour former des microstructures à la surface de pièce consiste à introduire des cavités dans les surfaces en provoquant un effet de cavitation. La cavitation signifie la formation de bulles de vapeur dans un liquide. Les bulles de vapeur se produisent de préférence à faible pression. Il est connu que la température d'ébullition d'un liquide diminue à faible pression. Si la température d'ébullition diminue pour être en dessous de la température actuelle donnée du liquide, il se forme les bulles de vapeur évoquées ci-dessus. Si la pression augmente de nouveau, les bulles éclatent c'est-à-dire implosent.

L'implosion des bulles engendre une onde de pression très importante encore appelée coût de bélier ou microjet. Les pièces exposées à de tel-les ondes de pression ne résistent pas à ces fortes contraintes de poussée si bien que cela modifie la surface. Le document DE-10314447 Al utilise le procédé reposant sur l'effet décrit ci-dessus pour réaliser un enlèvement de matière à la surface des pièces et obtenir ainsi la microstructure. Pour créer la cavitation, on utilise des ultrasons ou des jets de liquide. Cela permet de faire un enlèvement de matière pour microstructurer une pièce sans provoquer en même temps le relèvement des bords des microstructures.

Toutefois, il n'est pas possible de contrôler de manière suffisamment précise les ultrasons ou les jets de liquide comme cela est le cas d'un faisceau laser focalisé de manière fine pour permettre un usinage précis des pièces. Exposé et avantages de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que a) on place une pièce à structurer dans un milieu liquide, b) on utilise une source lumineuse pour générer une bulle de cavitation dans le milieu liquide, et c) on génère une bulle de cavitation avec la source lumineuse de façon que lorsque ensuite la bulle de cavitation s'effondre, elle structure la surface de la pièce, notamment en enlevant de la matière de la sur-face. Selon le procédé de l'invention, la surface des pièces pré- sente des microstructures positionnées de manière très précise sans que cela n'engendre des relèvements au niveau des bords des micro-structures. Comme il n'y a aucune fusion de la surface dans le procédé, le réseau de la structure dans la zone proche de surface de la pièce reste inchangé. De telles pièces conviennent du reste également comme objet d'analyse pour la recherche. Le procédé permet en outre de manière très avantageuse de régler de façon simple la taille des bulles de cavitation engendrées. Le réglage possible de la taille (rayon) des bulles de cavitation permet de contrôler la structure des surfaces.

Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention : a) on place une pièce à structurer dans un milieu liquide, b) on utilise une source lumineuse pour générer une bulle de cavitation dans le milieu liquide, et c) on génère une bulle de cavitation avec la source lumineuse de façon que lorsque ensuite la bulle de cavitation s'effondre, elle structure la surface de la pièce, notamment en enlevant de la matière de la sur-face, - pour l'étape a), on utilise de l'eau notamment de l'eau distillée comme milieu liquide, - dans l'étape b), on utilise un laser comme source lumineuse, - dans l'étape c), on forme un faisceau laser focalisé par une impulsion du laser pour générer tout d'abord une bulle de vapeur comme bulle de cavitation se développant jusqu'à un rayon de bulle maximum Rmax, - dans l'étape c), on génère la bulle de cavitation à une distance s > 0 de la surface de la pièce, - dans l'étape c), on focalise le faisceau laser à un emplacement à la distance s > 0 de la surface de la pièce, - dans l'étape c), on choisit la distance s pour que lorsque la bulle de cavitation s'effondre, l'impulsion de pression engendrée atteigne la surface de la pièce et structure ainsi la surface, -dans l'étape c), pour un laser, on choisit l'intensité et/ou la durée impulsionnelle pour que le rapport s/R. soit inférieur ou égal à 0,9, - on répète plusieurs fois l'étape. L'invention concerne également l'application du procédé défini ci-dessus pour le traitement de surfaces d'une pièce, pour réduire le frottement et/ou l'usure liée aux effets tribologiques. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un exemple de réalisation d'un procédé selon l'invention utilisant un laser pour générer une bulle de cavitation, - la figure 2 montre l'éclatement d'un bulle de cavitation avec l'érosion résultant par effet de cavitation (enlèvement à la surface).

Description de modes de réalisation de l'invention L'invention concerne un procédé de microstructuration de surfaces d'une pièce appliquant les étapes fondamentales suivantes : a) on place une pièce à structurer dans un milieu liquide, b) on utilise une source lumineuse pour générer une bulle de cavitation dans le milieu liquide, et c) on génère une bulle de cavitation avec la source lumineuse de façon que lorsque ensuite la bulle de cavitation s'effondre, elle structure la surface de la pièce, notamment en enlevant de la matière de la sur-face. La figure 1 montre une pièce 1 dont on veut structurer la surface 5 ; la pièce 1 est placée dans un récipient 15 rempli de liquide 10. Cela correspond à l'étape a) du procédé. Comme liquide 10 on utilise de préférence de l'eau notamment de l'eau distillée.

15 Selon l'étape b) du procédé, on utilise une source lumineuse 20 pour générer une bulle de cavitation 25. La source lumineuse 20 de cet exemple est immergée dans le liquide 10. De façon générale, la source lumineuse 20 peut toutefois être seulement partiellement immergée ou pas immergée du tout dans le milieu liquide 10, contraire- 20 ment à la pièce 1. Il importe seulement que la source lumineuse 20 génère un faisceau lumineux 30 permettant de former une bulle de cavitation 25 dans le milieu liquide 10. A titre d'exemple, la source lumineuse 20 est un laser. A l'aide d'un système de lentille 25 comprenant au moins une lentille de focalisation, on peut focaliser le faisceau laser 25 dans l'espace et le positionner d'une manière très précise. Dans l'étape c), on forme un faisceau laser à l'aide d'une impulsion du laser pour générer tout d'abord une bulle de gaz qui se développe jusqu'à un rayon de bulles maximum R. constituant une bulle de cavitation 25 ( effondrement de la bulle de cavitation 25 ). De 30 manière avantageuse, on règle simplement le rayon maximum R. de la bulle de vapeur par variation de l'intensité et/ ou de la durée de l'impulsion du laser. La bulle de gaz n'est du reste pas générée directe-ment à l'emplacement d'usinage de la pièce 1 mais à une distance proche s > 0 de la surface 5 de la pièce 1. Pour cela on focalise simplement 35 le faisceau laser à un endroit situé à la distance s > 0 de la surface 5 de la pièce 1. En d'autres termes, l'emplacement où l'on génère la bulle de cavitation 25 est simplement égal à l'emplacement où l'on focalise le faisceau laser. Lorsque la bulle de cavitation 25 atteint sa taille maxi- male, elle s'effondre (figure 2). La distance s est choisie pour que lors-que la bulle de cavitation 25 s'effondre, l'impulsion de pression engendrée atteint la surface 5 de la pièce 1 et réalise la structure de la surface 5. La matière à la surface 5 de la pièce 1 peut être déformée par l'impulsion de pression et/ou être enlevée de la surface 5. La déforma- tion et/ou l'enlèvement de matière sont notamment reproductibles si le rapport s/Rm est inférieur ou égal à 0,9. Pour remplir cette condition, on peut varier la distance s (comme évoqué ci-dessus) par un choix approprié du point de focalisation du faisceau laser. Il est également possible de régler l'intensité et/ ou la durée impulsionnelle du laser pour que le rayon R. atteigne sa taille appropriée. On peut également répéter plusieurs fois le procédé de structuration de l'étape c) jusqu'à avoir enlevé une quantité de matière prédéterminée et qu'ainsi la cavité 40 au point d'usinage ait la taille ou le volume souhaité. La cavité 40 présente de manière caractéristique la forme d'un cratère dont le diamètre correspond sensiblement à l'ordre de grandeur de la bulle de cavitation 25. Le centre du cratère correspond au centre de la bulle de cavitation 25 en vue de dessus de la sur-face 5 de la pièce 1. Comme on a constaté que le laser permettait de régler de manière précise la position de la bulle de cavitation 25 que l'on forme, cela permet de structurer la surface 5 de façon localisée. Le procédé décrit peut être appliqué de manière très appropriée à un traitement de surface d'une pièce 1 pour réduire le frottement et/ou l'usure liée aux contraintes tribologiques. Les cavités 40 ainsi formées peuvent recevoir par exemple des agents lubrifiants pour s'opposer aux contraintes tribologiques.35

Claims

REVENDICATIONS

1 ) Procédé de microstructuration de surfaces (5) d'une pièce (1) selon lequel : a) on place une pièce (1) à structurer dans un milieu liquide (10), b) on utilise une source lumineuse (20) pour générer une bulle de cavitation (25) dans le milieu liquide (10), et c) on génère une bulle de cavitation (25) avec la source lumineuse (20) de façon que lorsque ensuite la bulle de cavitation (25) s'effondre, elle structure la surface (5) de la pièce (1), notamment en enlevant de la matière de la surface (5).

2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour l'étape a), on utilise de l'eau notamment de l'eau distillée comme milieu liquide (10).

3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape b), on utilise un laser comme source lumineuse (20).

4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans l'étape c), on forme un faisceau laser focalisé par une impulsion du laser pour générer tout d'abord une bulle de vapeur comme bulle de cavitation (25) se développant jusqu'à un rayon de bulle maximum R..

5 ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans l'étape c), on génère la bulle de cavitation (25) à une distance s > 0 de la surface (5) de la pièce (1).

6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que dans l'étape c), on focalise le faisceau laser à un emplacement à la dis- tance s > 0 de la surface (5) de la pièce (1). 157 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que dans l'étape c), on choisit la distance s pour que lorsque la bulle de cavitation (25) s'effondre, l'impulsion de pression engendrée atteigne la 5 surface (5) de la pièce (1) et structure ainsi la surface (5). 8 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que dans l'étape c), pour un laser, on choisit l'intensité et/ou la durée im-10 pulsionnelle pour que le rapport s/Rm soit inférieur ou égal à 0,9. 9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on répète plusieurs fois l'étape. 10 ) Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour le traitement de surfaces d'une pièce (1), pour réduire le frottement et/ou l'usure engendrée par les contraintes tribologiques. 20