Peut-on produire une céramique sans défauts ?

Les céramiques sont des composés d’une grande dureté, chimiquement inertes et qui présentent une résistance remarquable aux températures les plus extrêmes.

Ces qualités font des céramiques les composants parfaits pour certaines pièces de moteurs, les disques de freinage haute performance, mais se retrouvent également dans les toutes dernières générations d’implants médicaux.

Cependant, les céramiques ont un défaut majeur : elles peuvent être cassantes, et les outils d’usinage conventionnels – perceuses et foreuses en tête – sont souvent à proscrire. Au lieu de cela, les industriels font appel à une technique bien maîtrisée : l’usinage par ultrasons.

Usinage par ultrasons

Le principe de l’usinage par ultrasons est simple et ingénieux : on utilise les vibrations d’un porte-outil perpendiculairement à la pièce à usiner – à une fréquence généralement comprise entre 16 000 et 20 000 Hertz, et à une amplitude variant entre 0,005 à 0,07 millimètre – afin de travailler convenablement la pièce et d’en retirer le matériau nécessaire.

Le porte-outil est aidé dans sa tâche par un abrasif en poudre (carbure de bore, carbure de silicium ou diamant) qui se retrouve en suspension dans une solution aqueuse, la barbotine céramique, insérée entre l’outil (appelé sonotrode) et la pièce à usiner. Ce sont les vibrations du sonotrode combinées aux frottements de l’abrasif qui permettent alors d’usiner la pièce, le tout sous contrôle numérique.

Selon Gnian Cher Lim, chercheur à l’A*STAR Institute of Manufacturing Technology de Singapour et qui a dirigé une étude sur le sujet, c’est l’utilisation de cette barbotine contenant la fine poussière abrasive qui serait à l’origine de la fragilité accrue de certaines céramiques.

Aux termes de cette étude, l’équipe de chercheurs aurait mieux compris le processus de formation des fissures, fêlures et autres ébréchures, ouvrant la porte à une nouvelle approche de l’usinage des céramiques, un secteur en pleine expansion dans la ville-état de Singapour.

Des particules plus fines ?

L’usinage par ultrasons fragiliserait la céramique à deux endroits clés : aux deux extrémités d’un trou, et il rendrait par ailleurs l’intérieur du trou rugueux, défauts qui ne sont bien souvent observables qu’à l’aide d’un bon microscope. L’usure naturelle de la céramique serait démultipliée par ces défauts, selon Gnian Cher Lim.

Les chercheurs auraient étudié la formation des défauts en perçant des trous de 0,7 à 3 millimètres de diamètre dans des plaques de trois céramiques particulièrement répandues : le carbure de silicium (formule brute SiC), le zircone (formule brute ZrO2) et l’alumine (formule brute Al2O3), puis en observant de manière minutieuse l’évolution du matériau au niveau des zones sensibles, ainsi que le transfert de force du sonotrode à la barbotine, puis de la particule abrasive contenue dans la barbotine à la céramique.

Au fur et à mesure que la poussière abrasive travaille la céramique, faisant de petits trous dans le matériau, les défauts se forment et peuvent être jusqu’à quatre fois plus grands que la particule elle-même, tout en se prolongeant de manière radiale à partir du trou.

Une solution s’est alors présentée d’elle-même pour réduire sensiblement le risque et la taille de ces défauts (mais non les éradiquer), l’utilisation de particules… plus fines.

Par Moonzur Rahman

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