Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de production et robotique IPR (Laboratoire de systèmes robotiques 2 LSRO2)

Contribution à l'accroissement des performances du processus de µEDM par l'utilisation d'un robot à dynamique élevée et de haute précision

Joseph, Cédric ; Clavel, Reymond (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3281.

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    Summary
    Electro Discharge Machining (EDM) is an attractive subtractive method for complex 3d structurization of hard and very hard conductive and semi-conductive materials. The machining capabilities of a material do not depend on its hardness but on its electric conductibility and its melting point. The absence of any mechanical interaction between tool (the electrode) and machined part makes the electroerosion a well-adapted process for micro-structurization. In the passage from the macro to the micro-electroerosion (µEDM), some of the elements of the machine have to be adapted in order to improve the performances and to obtain accurate movements. The goal is to manufacture millimeters-sized shapes with an accuracy of a hundred of nanometers. This thesis deals the problem of the µEDM with a three degrees of freedom (DOF) mechanism, based on a parallel kinematics and flexure joints (the Delta3 robot). In addition to its high accuracy (5 nm) and high bandwidth (500 Hz), the Delta3 robot has the particularity of being free of backlash, wear and stick-slip phenomena. These performances have allowed to verify the importance of the time constants in the servo loop of the process, by many experiences of micro-drilling. Simulations have demonstrated the advantages brought by the dynamic, in the improvement of the µEDM process. Bad flushing conditions and very small gaps (<10 µm), generate elevated gradients of contamination, to which the frequency response of the machine must be adapted. Simulations have shown that the balance between the material removal rate and the evacuation rate can be improved by adjusting the electrode-part distance at a frequency of a few hundreds of hertz. These back and forth movements have to be fast and accurate: first, to adjust quickly and precisely the breaking voltage distance and second, to guarantee a good machining accuracy. An industrial version of the prototype finalized during this thesis will be commercialized soon by AGIE (the company that supported this work).
    Résumé
    L'électroérosion (EDM) est une méthode de fabrication adaptée à l'usinage des formes 3D dans des matériaux très durs conducteurs ou semi-conducteurs. L'usinabilité ne dépend pas de la dureté du matériau, mais de sa conductibilité électrique et de son point de fusion. L'absence d'interaction mécanique entre l'outil (l'électrode) et la pièce à usiner, en fait un procédé particulièrement bien adapté à la micro-fabrication. Le passage de la macro à la micro-électroérosion (µEDM) requiert toutefois une adaptation des éléments de la machine, tant pour améliorer les performances du processus que pour obtenir des hautes précisions. Le but visé est d'usiner des formes de quelques millimètres avec une précision d'une centaine de nanomètres. Cette thèse traite du problème de la µEDM avec une petite machine 3 degrés de liberté (ddl) à cinématique parallèle et articulations flexibles (le robot Delta3). En plus de sa haute précision (5 nm) et de sa bande passante élevée (500 Hz), le robot Delta3 est exempt d'erreur d'inversion et de frottement. Ces performances ont permis de vérifier l'importance des constantes de temps dans la boucle d'asservissement du processus, par le biais de nombreuses expériences de micro-perçage. Des simulations démontrent l'intérêt de la dynamique pour améliorer le processus de µEDM. Les mauvaises conditions de lavage et les gaps très petits (<10 µm) engendrent des gradients de contamination élevés, auxquels la réponse en fréquence de la machine doit être adaptée. Pour améliorer l'équilibre entre l'enlèvement de matière et son évacuation, les simulations montrent que la distance électrode-pièce doit être ajustée à une fréquence de quelques centaines de hertz. Ces mouvements de va-et-vient doivent être rapides et précis; d'une part pour ajuster rapidement et précisément la distance de claquage et d'autre part pour garantir une bonne précision d'usinage. Une version industrielle du prototype mis au point durant cette thèse est en cours de préparation chez AGIE (entreprise qui a soutenu ce travail).