Avantages de la technologie UV-LIGA pour la production de micro-engrenage

De nombreux domaines d’applications et produits sur le marché tendent à se miniaturiser.

Cette tendance impose aux industriels de repousser les limites de leurs méthodes de fabrication en redoublant d’ingéniosité dans le développement de nouvelles technologies.

Pour la fabrication de micro-engrenages, les méthodes les plus connues sont le décolletage, l’étampage, le fraisage ainsi que la découpe laser et l’électroérosion à fil.

Il existe une technologie moins connue des secteurs industriels, qui a fait ses preuves depuis plus de 20 ans dans l’horlogerie. Il s’agit d’une méthode de fabrication additive de très grande précision nommée UV-LIGA (ou électroformage).

Découvrez dans cet article comment les concepteurs de mouvements horlogers se sont approprié cette technologie pour réinventer les fondamentaux micromécaniques.

Qu’est-ce que la technologie UV-LIGA ?

Inventée dans les années 1980, la technologie UV-LIGA est la précurseure de l’impression 3D.

Le procédé commence par des opérations de photolithographie permettant de structurer une résine SU-8 sensible aux UV. Ce procédé est combiné à la croissance galvanique épaisse sur un substrat en silicium. S’en suivent des opérations mécaniques de mise en épaisseur des composants se trouvant encore sur le wafer. Le substrat en silicium est dissout dans une solution chimique et la résine éliminée dans un four plasma sous vide, ce qui libère les pièces qui sont prêtes à l’emploi.

Flux de production:

fabrication-de-micro-engrenages-par-photolithographie-et-croissance-galvanique

Photolithographie                    Développement                        Croissance galvanique            Produit fini

Exemples d’applications de micro-engrenages

Transmission sans jeu

La liberté de design du procédé UV-LIGA permet la réalisation d’une grande variété de dentures et de tailles différentes pour toutes sortes de micro-engrenages. L’exemple ci-dessous illustre parfaitement comment les concepteurs horlogers ont su tirer la quintessence de notre méthode de fabrication.

micro-engrenage-à-dents-fendues-par-mimotec

Les engrenages à rattrapage de jeu (engrenages sans ébat) plus communément appelés à dents fendues, ont fait leur première apparition dans l’horlogerie au début des années 2000. En 2002, la société Agenhor SA imagine une forme de denture fendue qui a pour but d’éliminer les ébats nécessaires au bon fonctionnement des engrenages traditionnels.

Cette forme consiste en une dent asymétrique composée d’une partie rigide ayant pour fonction de transmettre les forces et d’une deuxième partie flexible pour rattraper les ébats. Les bénéfices apportés par l’application de cette solution ont été tels que l’utilisation de ces nouvelles dentures n’a cessé de croître au cours de ces vingt dernières années.

La fabrication de ces dispositifs a été rendue possible grâce à l’utilisation de procédés dérivés de la microélectronique et d’une tech­nologie additive de métal communément appelée électroformage.

Même si pour l’instant les applications du LIGA sont majoritairement utilisées dans l’horlogerie, elles peuvent être d’un intérêt significatif dans des domaines qui nécessitent des entraînements avec micro réducteurs sans jeu. La possibilité d’utiliser des engrenages à dents flexibles (anti-backlash gear) va permettre un positionnement plus précis qu’avec des engrenages classiques. On peut imaginer également des entraînements à crémaillère sans jeu.

Dans le cas où les entraînements devraient être à inertie réduite pour permettre de fortes accélérations, les possibilités quasi illimitées d’ajourage des pièces LIGA sont un atout supplémentaire significatif par rapport aux techniques traditionnelles.

Quelques exemples :

  • Entraînements pour appareils mobiles
  • Positionnement précis de microcomposants dans une opération d’assemblage
  • Entraînements pour cinématiques parallèles sans jeu

Transmission multifonctions

L’exemple ci-dessous illustre les possibilités de l’électroformage. Il s’agit d’indexer une came sur une roue dentée, ce qui généralement implique la fabrication de deux composants qui doivent ensuite être assemblés. La technologie UV-LIGA a l’avantage de pouvoir structurer une empreinte à multi-niveaux (le négatif de la pièce à réaliser) et, par électroformage, produire un composant monobloc. Ainsi, la came sera parfaitement indexée par rapport à la roue dentée sans aucun assemblage.

came-et-roue-dentée-monobloc

Ce principe peut être appliqué à d’autres types de composants tels qu’un râteau à rattrapage de jeu couplé à un ressort et à un frotteur utilisé dans des affichages rétrogrades (Ex. : remise à zéro d’une aiguille de chronographe).

chronograph-hand-with-backlash-gear

Les 2 exemples ci-dessus ne sont que « la pointe de l’iceberg » des applications ou produits réalisables par notre technologie. Il y a bien d’autres exemples de composants avec une fonction de transmission tels que :

·       Engrenage non-circulaire (elliptique, rectangulaire, …)

·       Roue à moyeu élastique

·       Crémaillère linéaire

·       Micro-réducteur

·       Différentiel

·       Micro-pompe

Avantages du LIGA

La technologie UV-LIGA offre de nombreux avantages techniques comme illustrés par les quelques exemples de micro-engrenages.

L’un de ces avantages est clairement la liberté de design qu’offre la technologie où la seule limite est votre imagination. Idéal dans la miniaturisation de composants, elle permet la réalisation de structure d’une finesse incomparable.

Le second avantage et non des moindres, la précision des composants issus de notre technique de fabrication. Grâce au procédé photolithographique, une réplication parfaite du profil théorique dans l’empreinte de la résine SU-8 permet une précision micrométrique du composant final.

Ce qui signifie également que les composants issus de notre procédé seront rigoureusement identiques de la phase prototype à la série. Ainsi aucune phase de revalidation n’est nécessaire.

Les micro-engrenages nécessite un coefficient de frottement qui doit être le plus faible possible. Plusieurs critères influent sur le rendement d’un engrènement et l’un de ces critères est la qualité d’état de surface des zones de frottement. Avec une rugosité mesurée (Ra) après la libération des pièces du substrat, celle-ci se situe entre 15-20nm sans aucune tribofinition.

Propriétés mécaniques des matériaux

proprietes-mecaniques-des-materiaux-standard-Ni-alloysproprietes-mecanique-des-materiaux-high-elasticity

Aspect économique

Si cette technologie permet de produire des petites séries, elle est également compétitive pour des volumes d’un million de composants par an.

Les prix s’articulent sur deux axes :

·       D’une part pour les frais d’investissement (photomasque)

·       D’autre part pour le prix unitaire des composants

Ce dernier est principalement dicté par 4 facteurs qui sont :

·       La surface en mm2 du composant

·       Le nombre de niveau que compte la pièce

·       La matière

·       Les quantités (prototypes ou séries)

Plus la pièce sera petite et plus le prix sera avantageux

Conclusion

La variété de composants réalisables par la technologie UV-LIGA est bien plus vaste que les micro-engrenages.

Par ces quelques exemples, nous vous partageons un savoir-faire horloger de plus de 20 ans qui pourrait également s’appliquer dans d’autres secteurs d’activités tel que les micro-entrainements.

Soumettez-nous vos projets pour une analyse détaillée de faisabilité.