Magazine Lundi 3 septembre 2018 - 07:00

La fabrication additive céramique appliquée aux instruments optiques

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La fabrication additive apporte un nouveau regard sur le développement des systèmes optiques refroidis, des systèmes optiques actifs ou des surfaces optiques de forme libre : en plus de concevoir sur mesure, de diminuer les étapes de conception et de gagner du temps, la technologie additive permet d’imprimer uniquement les parties utiles de la pièce, mais aussi d’intégrer de nouvelles fonctionnalités. Explications­ !

Au cours de la dernière décennie, l’instrumentation optique pour l’espace et les véhicules aériens sans pilote (UAV) a été optimisée afin de réduire la masse et le volume de l’équipement. Pour atteindre cet objectif spécifique, il était essentiel de développer de nouveaux systèmes innovants prenant en compte les nouvelles méthodes de fabrication. La fabrication additive et l’impression 3D sont devenues l’un des composants clés d’une solution innovante pour la conception d’instruments optiques optimisés. Elle cible principalement les miroirs plans pour les moteurs laser avant (miroir galvo pour les applications laser haute énergie) et les applications optiques. Un système optique a besoin des caractéristiques techniques suivantes : une rigidité élevée – pour améliorer et garantir la stabilité de la ligne de visée‑; une haute résistance – pour résister aux conditions mécaniques et thermiques difficiles‑; et une haute stabilité – pour garantir la performance optique en orbite ou généralement pendant la mission. Ce type de pièces requiert un processus de fabrication commun avec six étapes principales.

1. Le façonnage du corps brut : la matière première, est façonnée par moulage ou pressage.

2. Le fraisage de la pièce brute, pour réduire la masse.

3. Le meulage, pour réduit la rugosité de la pièce et lui donner sa forme.

4. Le polissage, afin de réduire la rugosité à quelques nanomètres.

5. Le revêtement, qui consiste à appliquer un dépôt métallique pour améliorer la réflectance spectrale.

6. L'intégration de l’interface, généralement par collage. 

Au cours de ces opération, les étapes 2 et 3 sont risquées et compliquées ; l'étape numéro 6 est également ardue, car elle nécessite un outillage spécifique et la partie collée n’est pas très résistante.

La fabrication additive, de nombreux avantages

De nombreuses raisons justifient le recours à la fabrication additive ou à l’impression 3D pour les pièces optiques :

• réduction du poids des pièces par une conception plus complexe (trous, structure semi close back...) ; 

• réduction des délais : les délais réels sont très importants du fait de la fabrication de la première ébauche et doivent être allégés par l’usinage ;

• sauvegarde de la céramique : il est régulièrement annoncé une baisse de 90 % du poids des pièces optiques, même s’il est plus rentable d’imprimer les 10 % restants ;

• conception perturbatrice : de nouvelles conceptions plus complexes peuvent être envisagées ;

• intégration de fonctions : il est possible d'ajouter de nouvelles fonctions comme des caniveaux internes, des rails électriques, etc.

La société 3DCeram-Sinto a développé une nouvelle gamme de substrats optiques adaptés aux environnements les plus complexes pour les applications dans le domaine de l'espace et de la défense : 3DOptic®. Ce procédé permet de réaliser des substrats optiques en céramique sur mesure et de diminuer les risques occasionnés par la fabrication traditionnelle, où 90 % du poids d’origine des miroirs sont enlevés par les outils, entraînant un risque élevé de fissures dans la céramique. Le procédé développé par 3DCeram-Sinto repose sur la capacité d’imprimer directement en 3D les 10 % de matière réellement utiles, plutôt que de fraiser 90 % du miroir céramique.

Ce procédé peut permettre aux clients d’explorer une nouvelle façon de concevoir un miroir, avec une structure arrière semi-fermée, une interface intégrée et des côtes conformes. Il ouvre de nouvelles perspectives pour la prochaine génération d’instruments, offrant une solution compacte avec des fonctions intégrées (isolateur thermique, canal de refroidissement...), une limitation des interfaces mécaniques et thermiques ainsi qu'une intégration de la fonction optique comme un dispositif structurel.

Un nouveau processus de fabrication

Cette solution permet de simplifier et de réduire le processus de fabrication aux étapes suivantes.

1. L'impression 3D.

2. Le polissage. R

3. Le revêtement.

4. L'intégration de l’interface.

Le dernier point innovant est la capacité de produire une solution sur mesure, réalisée à la demande, sans outillage spécifique, à partir d’une architecture optique commune avec les exigences du client.

Grâce à cette nouvelle solution globale de conception et de fabrication, les substrats optiques / miroirs peuvent être de plus en plus compacts, permettant ainsi des fonctions supplémentaires tout en assurant un volume et une masse très faibles. La fabrication additive permet aujourd'hui d'atteindre de tels objectifs, jusqu'alors irréalisables.

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Contenu Encadré

Choix du matériau

Le choix de la céramique utilisée pour la production de ces pièces est une composante importante du processus 3D. Les fabricants de miroirs ou de dispositifs optiques doivent tenir compte de plusieurs critères :

- les propriétés mécaniques et thermiques ;

- la rigidité et la densité ;

- la CTE (le coefficient de dilatationthermique).

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