L’ESRF utilise Zetamix pour l’environnement d’échantillonnage haute température

Image 1 : Deux coques de cartouche chauffante et un porte-échantillon imprimés avec Zetamix

Présentation de l’ESRF

Un synchrotron est un accélérateur de particules qui génère l’une des sources de rayons X les plus intenses au monde, 100 milliards de fois plus lumineuse que les rayons X utilisés dans les hôpitaux. Grâce à cette technologie, les scientifiques sont en mesure d’analyser la structure de la matière jusqu’au niveau atomique. Situé à Grenoble, en France, l’ESRF est le résultat de la coopération de 22 nations. Chaque année, plus de 9000 scientifiques viennent à l’ESFR et utilisent l’un des 43 faisceaux lumineux pour leur expérience.  La plupart de ces expériences nécessitent un environnement d’échantillonnage spécifique (cryogénique, haute température, réactions chimiques in situ) et une réactivité élevée de la part du personnel pendant que les expériences sont en cours (car le temps de faisceau est précieux et alloué des mois ou des années à l’avance). Cette combinaison explique le besoin de pièces sur mesure fabriquées dans un matériau technique en moins de quelques jours à l’ESRF.

Carlos Cosculuella et Yves Watier travaillent pour le Samples Environment Service et sont spécialisés dans les environnements extrêmes. Leur mission quotidienne est de mettre en place des équipements adaptés aux expériences en milieu à très basse ou haute température. Non seulement leur présence est cruciale pour dépanner les scientifiques avec des appareils déficients, mais surtout pour créer de nouveaux instruments et améliorer la qualité de l’expérience.

Carlos et Yves conçoivent chaque jour des prototypes et des pièces à la demande. Trouver un partenaire industriel capable de produire de petites quantités, même pour des pièces en plastique, est compliqué. La technologie Zetamix et plus largement l’impression 3D leur offrent autonomie et polyvalence : c’est le moyen le plus simple de produire des porte-échantillons, des éléments chauffants, des  composants de soufflantes à gaz  et d’autres pièces à la demande. Déjà équipés de l’imprimante  3D Prusa pour le prototypage en plastique, Carlos et Yves comptent parmi nos premiers clients à utiliser Zetamix, les premiers filaments céramiques et métalliques adaptés aux imprimantes 3D FFF

Technologie Zetamix : le moyen le plus rapide de produire des pièces simples en  céramique

Les filaments Zetamix  sont pratiques pour produire des échantillons de céramique  en  un temps record. « Certains scientifiques ont planifié une semaine d’expérience un an à l’avance. Leur temps sur le synchrotron est précieux, ils ne peuvent pas se permettre de perdre du temps avec des problèmes d’équipement », a déclaré Yves.

Par exemple, Yves a été sollicité une fois par un scientifique qui avait besoin de tenir son échantillon sur une résistance au chauffage. L’expérience était déjà en cours, mais le porte-échantillon initial, en acier inoxydable, était trop conducteur de chaleur et, par conséquent, l’échantillon n’était pas à la température visée (voir les figures 1 et 2). La pièce demandée était très simple, essentiellement une rondelle plate en céramique avec cinq trous et un chanfrein, mais impossible à obtenir en céramique en moins d’un mois.

 « Le scientifique avait besoin de cette pièce le plus rapidement possible, afin d’économiser le temps de faisceau qui lui était alloué. Grâce à Zetamix, nous l’avons conçu, imprimé et délié le jour où il nous demande de l’aide, nous l’avons fritté pendant la nuit et avons fait notre test le lendemain. 32 heures après sa demande, le porte-échantillon était prêt à l’emploi » (voir photo 1).

Figure 1 : Simulation thermique Solidworks avec porte-échantillon d’inox

Figure 2 : Simulation thermique Solidworks avec porte-échantillon d’alumine

Fabriquer l’objet de manière traditionnelle serait coûteux et surtout aurait pris trop de temps.  « Ce genre de partie est en fait trop simple. Dans la plupart des cas, nous ne pouvons même pas obtenir de devis pour ces pièces, et lorsque nous le faisons, il faudrait 2 à 4 semaines pour obtenir le devis, puis un autre mois pour obtenir la pièce », explique Carlos Coscuella.

Pour répondre à ce genre de problèmes, le prédécesseur de Carlos et Yves achetait un lot de pièces d’alumine standard, et ils adaptaient l’expérience autour de celles-ci, avec un peu de perçage, de polissage ... » Il y a eu une évolution dans la façon dont la question a été considérée, maintenant nous recherchons des pièces qui sont mieux adaptées à l’expérience. Trouver un partenariat avec un fabricant de céramique serait trop long, coûteux et compliqué, Zetamix était la meilleure solution », a déclaré Yves.

 Tableau 1. Zetamix vs processus conventionnel

Technologie Zetamix : la solution pour les pièces découpées

Image 2.  Cartouche chauffante imprimée par Zetamix et assemblée avec un élément chauffant

Pour de nombreuses expériences, l’ESRF doit utiliser un porte-échantillon équipé d’une résistance, appelé cartouche chauffante. Les produits standard pour ce besoin sont assez chers, et seulement dans les tailles et la puissance standard. Carlos et Yves avaient besoin de cartouches chauffantes sur mesure et n’ont pas d’autre choix que de les fabriquer eux-mêmes.

Avant d’utiliser la technologie Zetamix , le processus de fabrication de cette pièce était assez compliqué. Carlos et Yves avaient l’habitude de couler un ciment réfractaire dans un moule en plastique pour piéger la résistance. Cependant, la résistance était susceptible de se déplacer pendant que le ciment séchait, déclenchant un défaut sur le support d’échantillon qui le rendait impropre ou dangereux à utiliser. Lorsque le moule en plastique a été retiré, certaines parties de la résistance ont pu atteindre la forme sur le ciment. Cette différence d’environnement a mis à rude épreuve la résistance qui pourrait raccourcir son temps d’utilisation, et pourrait générer quelques étincelles. Non seulement ce processus était long, mais il pouvait échouer et la cartouche finale avait un temps d’utilisation limité (voir les images 3 et 4).

Grâce à Zetamix, ils ont facilement réussi à faire face à ce problème. Ils ont conçu une coque qui s’adapte parfaitement à la forme de résistance, et au lieu d’ajouter un diviseur pour séparer les différentes connexions électriques, ils l’ont modélisée avec le reste de l’objet. Lorsque le ciment est coulé, la résistance ne peut pas bouger et ils n’ont pas à retirer le moule, qui fait maintenant partie de la cartouche finale.

Zetamix permet également une très large gamme de tailles, de formes, de connexions électriques d’entrée et de sortie, de fixations de maintien...

Photos 3 et 4.  Cartouche chauffante assemblée à la main vs imprimée par Zetamix

Tableau 2. Zetamix vs assemblage standard et manuel pour cartouches chauffantes

Technologie Zetamix : un large éventail d’applications possibles

Image 5.  Différentes pièces imprimées en Zetamix : 3 tailles différentes de cartouches chauffantes, 2 porte-échantillons, et un prototype de micro-four

En plus d’économiser du temps et de l’argent, les utilisateurs de filaments Zetamix ont accès à une polyvalence remarquable. Non seulement cela permet à Yves et Carlos d’améliorer leur équipement habituel, mais c’est aussi l’occasion d’essayer de nouvelles conceptions et de créer un nouvel environnement d’échantillonnage, beaucoup plus adapté à l’utilisation des scientifiques.

« Nous travaillons actuellement sur des conceptions beaucoup plus complexes, pour un contrôle total de l’environnement à l’aide de Zetamix. Par exemple, nous avons le projet de produire un micro four refroidi à l’eau, avec des canaux internes pour le refroidissement, les réactifs et la mesure de la température. Ce genre de partie n’est pas encore prêt, mais quand il le sera, il améliorera considérablement la qualité de l’analyse pour certaines expériences spécifiques. Et bien sûr, cela ne pouvait être fait avec aucune autre technologie. »

Article issu du site Zetamix (anglais)