Les défis de la motorisation sous vide
Par Dr Mike Soulby, Photonics Application Specialist, Traduit par Pierre CLAUDEL en Août 2024
Introduction
Les platines motorisées sont de plus en plus utilisées dans des environnements sous vide. Il s’agit d’une solution pertinente pour une large gamme de recherches scientifiques et d’applications industrielles. De nombreux processus de fabrication sont désormais effectués sous vide pour garantir les normes de propreté et de pureté les plus élevées des produits fabriqués.
L’industrie des semi-conducteurs est un exemple majeur de l’utilisation prolifique de la technologie du vide. Des conditions d’ultra-vide et des technologies de contrôle de mouvement de précision sont nécessaires pour la croissance et la fabrication de dispositifs, depuis les détecteurs et les sources laser, jusqu’à la production de puces de processeurs utilisées dans la technologie moderne d’aujourd’hui.
Ce n’est pas seulement l’industrie des semi-conducteurs : la recherche fondamentale en physique, comme les travaux réalisés au Grand collisionneur de hadrons (LHC) et d’autres installations de lignes de faisceaux à haute énergie, nécessitent des conditions d’ultra-vide pour fonctionner avec succès.
À mesure que de nouvelles technologies et applications sont développées, le besoin de solutions de contrôle de mouvement capables de fonctionner dans un environnement sous vide continuera d’augmenter.
Pro-Lite peut fournir des produits de déplacements motorisés adaptés au vide, convenant aux pressions de vide élevé standard jusqu’aux pressions d’ultra-vide extrême de 10⁻¹¹ mbar. Nous examinons ici certains des problèmes dont vous devez être conscient lors de la sélection de l’équipement qui sera utilisé dans un environnement sous vide.
Que signifie "sous-vide" ?
Si la pression à l’intérieur d’un récipient ou d’un conteneur est réduite en dessous de la pression atmosphérique standard, l’intérieur de ce conteneur est alors sous vide. Le niveau de ce vide dépend de la rapidité avec laquelle l’air peut être évacué du récipient et de la facilité avec laquelle le récipient se remplit à nouveau d’air, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de fuites ou que les matériaux sont adaptés à une utilisation dans le vide.
Finalement, une condition d’équilibre sera atteinte, et la pression finale qui peut être atteinte et maintenue définira la classe de vide. Il existe quatre principales classes de vide que vous rencontrerez : le bas vide (également appelé vide brut), le haut vide (HV), l’ultra-haut vide (UHV) et l’ultra-haut vide extrême (XHV)
Dégazage
L’un des aspects les plus importants à considérer lorsqu’on travaille dans un vide est le dégazage. Le dégazage est la libération de gaz piégés dans, ou l’évaporation de matériaux provenant d’un solide lorsqu’il est soumis à la chaleur ou à des pressions de vide.
Le dégazage est indésirable dans les applications photoniques sous vide, car le matériau libéré peut se condenser sur les éléments optiques, dans certains cas causant des dommages permanents aux surfaces optiques de précision.
La libération de gaz et d’autres particules peut également limiter la pression ultime qu’une chambre à vide peut atteindre. Cette libération de matériau peut avoir des conséquences négatives, en particulier si un long parcours libre moyen est nécessaire pour une application, telle que le revêtement optique ou la croissance et la fabrication de semi-conducteurs. Un taux de dégazage élevé réduira le parcours libre moyen et augmentera la probabilité de collisions avec des molécules de gaz indésirables, entraînant des contaminations et des impuretés dans le revêtement optique ou le matériau final de l’échantillon.
Le dégazage d’un équipement, lorsqu’il est utilisé sous vide, peut souvent être attribué à l’une des raisons suivantes :
- L’humidité.
- Libération de molécules de gaz à partir de la surface ou de l’intérieur du matériau.
- Des poches de gaz piégées, par exemple derrière des trous de vis borgnes.
- Graisses et lubrifiants.
- Peinture et adhésifs.
Sélection des matériaux
Pour utiliser de manière sûre et fiable l’équipement de contrôle de mouvement dans un environnement sous vide, vous devez vous assurer que les matériaux, les composants et les accessoires sont adaptés à une utilisation sous vide.
Beaucoup de platines motorisées sous vide sont fabriqués à partir d’aluminium 6061 non anodisé. C’est souvent le matériau le plus rentable et il peut être utilisé jusqu’à des pressions de 10⁻⁶ bar. Pour les classes de vide HV et UHV, l’acier inoxydable des séries 300 ou 400 est le plus couramment utilisé. Il possède également un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui de l’aluminium, ce qui correspondra plus étroitement à toute expansion thermique des roulements et des guides. Cette association permet aux roulements de fonctionner en douceur avec la bonne précharge et un jeu minimal lors de variations de température dues au chauffage du moteur ou aux processus d’application.
L'étuvage sous vide
L’étuvage sous vide est le processus qui consiste à utiliser des températures élevées sous vide pour éliminer toute matière volatile des matériaux de l’étage de commande de mouvement avant sa mise en service dans son application finale. Le processus d’étuvage permet de chasser tout gaz ou toute humidité piégés dans les matériaux – il accélère effectivement le processus de dégazage pendant la période où il est à une température élevée.
Selon les matériaux utilisés, le processus d’étuvage peut durer de quelques heures à plus d’une journée ; il est souvent effectué à des températures allant d’environ 80°C à 200°C. Les nouveaux équipements de contrôle du mouvement compatibles avec le vide auront subi un processus d’étuvage lors de leur fabrication ; cependant, il est souvent nécessaire d’effectuer un autre cycle d’étuvage avant l’utilisation finale. Les détails de ce cycle d’étuvage supplémentaire doivent être décrits dans toute documentation utilisateur accompagnant le produit.
Considérations sur la conception
La cause la plus fréquente de poches d’air piégées est due à des trous de vis à filetage aveugle. Dans la mesure du possible, il convient de remplacer les trous de vis par des trous traversants. Cette caractéristique permettra au gaz piégé derrière une vis de s’échapper pendant le pompage sous vide. S’il n’est pas possible d’intégrer un trou traversant dans la conception, l’alternative est d’utiliser une fixation ou une vis ventilée. Une fixation ventilée comporte généralement un trou percé axialement et centralement pour permettre au gaz piégé de s’échapper de l’espace situé derrière elle.
Vous devez vérifier auprès du fabricant que l’étage de commande de mouvement utilise des trous traversants et des fixations ventilées afin de minimiser le nombre de poches de gaz piégées qui pourraient potentiellement s’échapper dans des conditions de vide.
La propreté et l'emballage
Une autre façon de réduire la possibilité de dégazage et de contamination dans un environnement sous vide est de s’assurer que les normes de nettoyage les plus strictes sont maintenues de l’assemblage à l’emballage final.
Avant l’assemblage, tous les composants métalliques doivent être soigneusement nettoyés dans un bain ul
tra-sonique et essuyés avec des solvants, tels que l’acétate et l’alcool isopropylique, puis séchés à l’air libre. Toutes ces opérations doivent être effectuées dans une salle blanche ou une chambre blanche afin de minimiser le risque de contamination.
Le nettoyage a pour but d’éliminer les débris, les salissures et les revêtements de surface. Il est également utilisé pour dissoudre l’
huile et la graisse des composants mécaniques tels que les vis à tête, avant l’application d’un lubrifiant compatible avec le vide plus approprié.
Il faut également faire attention lors de la manipulation d’équipements compatibles avec le vide pour éviter de laisser des empreintes digitales, des cheveux et des cellules de peau humaine sur l’équipement. Toutes les précautions doivent être prises pour minimiser le risque de contamination.
La platine de commande de mouvement sous vide assemblée doit être scellée dans un emballage sous vide hermétique, solidement fermé pour garantir qu’aucune humidité ou air ne puisse atteindre la platine pendant le transport ou le stockage. En général, l’équipement est scellé dans deux emballages sous vide, ce qui minimise encore le risque de contamination pendant le transport.
Gestion de la chaleur sous vide
Il existe un besoin croissant de monter des platines de commande de mouvement compatibles avec le vide dans l’environnement sous vide, plutôt que d’utiliser la méthode traditionnelle consistant à utiliser des coupleurs d’entraînement étanches avec le moteur monté à l’extérieur de la chambre à vide. Le fait d’avoir le moteur à l’intérieur de la chambre à vide présente plusieurs avantages, notamment une meilleure précision, un jeu réduit et une résolution plus élevée en raison de l’élimination des longues liaisons d’entraînement et de la possibilité de monter directement sur l’étage ou le moteur.
Cependant, l’un des inconvénients majeurs des moteurs à vide montés en interne est le risque de surchauffe dangereuse du moteur. Les moteurs conventionnels non conçus pour le vide sont principalement refroidis par convection dans l’air et par conduction dans toute surface avec laquelle le moteur ou la platine est en contact. Dans un environnement sous vide, la convection n’est pas possible, et si l’extraction de chaleur par conduction est insuffisante, le moteur peut surchauffer, ce qui peut l’endommager, voire endommager l’application.
Il est souhaitable d’utiliser des moteurs qui minimisent la chaleur générée tout en ayant des caractéristiques de dissipation thermique efficaces. Une méthode permettant d’éviter l’accumulation de chaleur consiste à faire tourner le moteur sur un cycle d’entraînement ou de service réduit, en réduisant la durée de fonctionnement continu du moteur, ce qui donne au système le temps d’extraire la chaleur. Par exemple, un cycle de service de 50 % signifie que le moteur ne tourne que la moitié du temps, ce qui réduit considérablement la chaleur générée. Cette approche présente certains inconvénients, comme la réduction de la vitesse, de la force motrice et du temps de fonctionnement continu.
Dans la plupart des cas, un moteur fonctionnant dans un environnement à ultravide nécessitera un positionnement et un montage soignés du moteur pour garantir une extraction efficace de la chaleur, ainsi que des moteurs conçus avec soin et des régimes d’entraînement intelligents pour minimiser et éliminer tout excès de chaleur, ce qui lui permettra de fonctionner en douceur et en toute sécurité.
Produits compatibles avec le sous-vide de Pro-Lite
Pro-Lite France représente Nanomotion en Fance qui propose des platines motorisées et des positionneurs optroniques destinés à être utilisés dans des environnements sous vide.
Nanomotion – Moteurs et platines motorisées piézoélectriques à grande course
La gamme de moteurs piézo-céramique de Nanomotion est disponible dans une grande variété de tailles et d’options adaptées à des environnements allant de la pression atmosphérique standard à la pression du très haut vide et au-delà.
Les moteurs Nanomotion permettent un cycle d’utilisation élevé et un fonctionnement intensif, même dans des environnements de vide très poussé, grâce à une dissipation efficace de la chaleur et à une gestion intelligente du cycle d’utilisation permettant des cycles de fonctionnement continus plus longs.
Les moteurs ont fait leurs preuves dans plusieurs applications sous vide exigeantes pour l’industrie des semi-conducteurs. Des micro-platines aux platines de pus de 300mm. Ils ont également été utilisés dans des applications spatiales en orbite terrestre basse (OTB) pour l’imagerie terrestre à super-résolution.
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