Qu’est-ce que le tournage diamant à outil unique ?

Comment fonctionne le tournage diamant

Le tournage diamant est un tournage, comme sur n’importe quel tour : la pièce tourne et un outil à une seule arête se déplace sur elle en enlevant un copeau fin. Trois choses le distinguent du tournage ordinaire.

• La machine. Un tour d’ultra-précision a une broche sur paliers à air, des glissières sur paliers hydrostatiques et un socle isolé des vibrations. Il positionne l’outil au nanomètre près et travaille dans une salle à température régulée.
• L’outil. L’arête de coupe est un diamant monocristallin, poli si vif et si lisse que son arête paraît presque parfaite, même au microscope.
• La coupe. La passe finale n’enlève que quelques micromètres, avec une avance très lente. L’arête de l’outil se reproduit sur la pièce, tour après tour.

Le résultat est une surface d’une rugosité de quelques nanomètres, avec une forme précise à une fraction de micromètre près. Elle réfléchit ou transmet la lumière dès la sortie de la machine.

Pourquoi l’outil est un diamant monocristallin

Une surface optique ne peut pas être meilleure que l’arête qui l’a coupée. Un diamant monocristallin est un seul cristal continu, sans grains ni liant : son arête peut donc être polie plus vive et plus lisse que celle de n’importe quel autre matériau de coupe. C’est aussi le matériau le plus dur connu, et il évacue vite la chaleur : l’arête garde sa forme sur une longue coupe.

Les outils faits de grains de diamant, comme le PCD, sont plus tenaces, mais leur arête est limitée par la taille des grains et ne peut pas couper un état de surface optique. Les outils de tournage diamant sont fabriqués en diamant naturel ou en monocristal de synthèse, le MCD. Pour comprendre ce qui les distingue, voir notre guide diamant naturel, MCD et PCD.

Quelles matières peuvent être tournées au diamant

Ce qui ne peut pas être tourné au diamant :

• L’acier et les autres métaux ferreux. Aux températures de coupe, le carbone du diamant réagit avec le fer et l’arête s’use après une coupe très courte. C’est pourquoi les inserts de moule en acier reçoivent d’abord un dépôt de nickel chimique : c’est la couche de nickel qui est tournée au diamant, pas l’acier.
• Le verre. Le verre optique est trop fragile pour être tourné en pratique courante. Les lentilles en verre sont rectifiées et polies, ou moulées par pressage.
• Les matières très abrasives, qui usent l’arête trop vite pour qu’elle garde une forme optique.

Les cristaux fragiles comme le germanium et le silicium peuvent être tournés, mais seulement avec de très faibles passes et un outil à angle de coupe négatif. Dans ces conditions, la matière part en copeau fin, comme un métal, sans se fissurer.

À quoi sert le tournage diamant

• L’optique infrarouge. Lentilles en germanium, en silicium et en séléniure de zinc pour caméras thermiques et capteurs.
• Les miroirs métalliques. Miroirs plans, sphériques et hors axe en aluminium et en cuivre, pour lasers, scanners et télescopes.
• Les inserts de moule. Les inserts nickelés qui donnent leur forme aux lentilles en plastique des caméras de téléphone, des phares et des affichages tête haute.
• Les surfaces asphériques, libres (freeform) et diffractives. Des formes lentes et coûteuses à polir, mais qui ne sont qu’une trajectoire d’outil pour un tour.
• Les lentilles de Fresnel et les rainures fines, coupées avec un outil en V à pointe vive.
• Les lentilles de contact et les implants intraoculaires, tournés à partir de palets de plastique sur de petits tours de tournage diamant.

Tournage, usinage à la mouche et servo d’outil

• Le tournage. La pièce tourne, l’outil se déplace. C’est la méthode standard pour les optiques rondes et symétriques.
• L’usinage à la mouche. L’outil diamant tourne sur un bras ou une tête de grand diamètre et la pièce défile devant lui. On l’utilise pour les miroirs plans et les longues rainures droites.
• Le servo d’outil lent ou rapide. L’outil avance et recule pendant chaque tour de broche : le tour peut ainsi couper des surfaces qui ne sont ni rondes ni symétriques, comme les optiques freeform et les matrices de lentilles.

Ce que l’arête de l’outil doit faire

Comme l’arête se reproduit sur la pièce, un outil de tournage diamant est spécifié plus en détail qu’un outil de tour ordinaire.

• Le rayon de bec. Le rayon de la pointe, de quelques centièmes de millimètre à plusieurs millimètres. Un rayon plus grand donne une surface plus lisse à avance égale ; un rayon plus petit atteint les formes raides et les petits détails.
• L’angle de coupe. En général 0° pour les métaux et les plastiques, et négatif, souvent autour de −25°, pour le germanium, le silicium et les autres cristaux fragiles.
• L’angle de dépouille. Le dégagement sous l’arête. Il doit être assez grand pour que l’outil passe la partie la plus raide de la surface.
• L’ondulation. L’écart de l’arête ronde par rapport à un cercle parfait. Cette erreur s’imprime dans la surface : les outils optiques sont donc fabriqués avec une ondulation contrôlée, d’environ un micromètre jusqu’à quelques dizaines de nanomètres.
• L’angle de pointe, pour les outils en V qui coupent les rainures et les motifs de Fresnel.

Tournage diamant ou rectification et polissage ?

Les optiques traditionnelles sont rectifiées puis polies : cela fonctionne sur le verre et donne les surfaces les plus lisses qui soient. Le tournage diamant est plus rapide en petites et moyennes séries, réalise les asphériques et les formes libres aussi facilement que les sphères, et fonctionne sur des métaux, des plastiques et des cristaux difficiles à polir.

Son point faible, ce sont les stries de tournage : un motif de sillons très fins et réguliers laissé par l’avance de l’outil. Pour l’optique infrarouge, cela n’a pas d’importance. Pour le visible le plus exigeant, les pièces reçoivent parfois un léger polissage après le tournage.

Quand l’outil est usé

Une arête usée se voit d’abord sur la pièce : la surface se voile, de fines lignes apparaissent ou la forme mesurée dérive. Un outil en diamant monocristallin ne se jette pas pour autant. L’arête est relappée à son rayon et à son ondulation d’origine, et l’outil peut être réaffûté plusieurs fois.

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