Microscope à balayage laser 3D: EPFL Microscopie Laser: KEYENCE renforce la vision 3D à l’EPFL
Le nouveau microscope à balayage laser 3D (VK-X260) de KEYENCE, utilisé dans un laboratoire de L’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), lui permet de réaliser des analyses de surfaces plus fines et plus rapides.
- Image d’une piste d’usure
Faire de l´analyse microscopique de surfaces. Une nécessité pour les chercheurs. Et une nécessité pour les industriels. Restons brefs : les recherches en tribologie par exemple (c´est l´étude des phénomènes tels que les frottements qui peuvent se produire entre deux matériaux en contact), ou la compréhension de phénomènes de corrosion (vieillissement des matériaux, usure) permettent aux laboratoires de recherche de faire avancer l´innovation. Innovation dont se nourrit l´industrie.
Pour le Dr Stefano Mischler, responsable du groupe de Tribologie et Chimie d´Interface à l´École polytechnique fédérale de Lausanne, il s´agit de conduire des travaux de recherche et/ou de valider des développements préindustriels, ou encore de diagnostiquer des pièces mécaniques usées ou corrodées, afin de comprendre (en vue d´aider à corriger) des problèmes de conception ou de vieillissement. Ce ne sont là que des exemples, bien entendu.
La microscopie, pour « profiler » les surfaces
Considérons les choses simplement. La rugosité de la surface d´un matériau affecte son aspect (que nous percevons par la vue et/ou par le toucher). Mais elle impacte aussi la manière dont ce matériau va s´user (frottements, corrosion), ou encore, sa capacité à se souder ou former un joint avec un autre matériau, ou bien encore sa capacité à retenir de l´eau, ou à être peint, etc. Bref, le « profil » de surface d´un matériau a des conséquences importantes sur la durée de vie, la durabilité des spécifications mécaniques et physiques, les risques de fragilités d´un produit constitué de ce matériau, etc. D´où la nécessité de s´y intéresser de près.
Les laboratoires de l´EPFL travaillent régulièrement avec l´industrie. À titre d´exemples, on citera ici la caractérisation de la topographie de pièces usées ou corrodées, ou encore l´analyse des piqûrations (trous) dans des surfaces métalliques abimées par de l´eau de mer.
Depuis les années 70, souligne le Dr Mischler, « Les laboratoires de l´EPFL ont acquis une belle expérience dans ce domaine. Les gammes de mesures ciblées par nos besoins demandent des précisions généralement comprises entre 0,1 nm et 10 µm. » Les laboratoires qu´il dirige se sont ainsi équipés de systèmes de profilométrie à stylet (à tête en diamant) pour palper la surface par contact, puis de profilomètres sans contact permettant de descendre dans les gammes de mesures submicroniques. Tandis que le microscope à balayage électronique (SEM, pour « Scanning-Electronic-Microscope ») ne donne pas d´information verticale (profondeur des vallées et hauteur des pics) pour la caractérisation d´un profil de surface, le microscope à force atomique (AFM, pour « Atomic-Force-Microscope ») adresse quant à lui des gammes de précisions extrêmement fines, explique le Dr Mischler (il est en outre trop lent pour certaines applications). « Le passage au microscope à balayage laser est dans la continuité des choses, » conclut-il.
Spécifications techniques et performances
Pour la conduite de nouveaux travaux, les équipes du Dr Mischler devaient pouvoir étudier les microgéométries (en surface des matériaux) sur toute leur profondeur/hauteur. D´où le choix porté sur la « microscopie confocale ».
Une des limitations de la « microscopie classique » (en regard des applications qu´il fallait couvrir ici) est que l´image ne peut être nette que dans le plan de focalisation du système optique. (L´image devient de plus en plus floue à mesure que l´on s´éloigne de ce plan vers l´intérieur ou vers l´extérieur de la profondeur/hauteur moyenne des aspérités de la surface.)
En fait, avec la « microscopie confocale », on peut dire que la surface à étudier est scannée en utilisant une succession de plans de focalisation superposés. Cette technique permet de couvrir toute la profondeur/hauteur des vallées et pics des microgéométries de cette surface.
Parmi les solutions considérées, certaines sont plus ou moins spécialisées, explique le Dr Mischler. Et, outre la qualité de l´appareil, la simplicité d´exploitation et la facilité d´accès à l´information ont été déterminantes dans le choix, finalement porté sur le microscope à balayage confocal laser 3D de KEYENCE. (En quelques mots, celui-ci présente les spécifications suivantes : Niveaux en vertical = 14 millions ; Grossissement = 28800x ; Résolution d´affichage = 0,5 nm ; Éclairage de l´échantillon à analyser = Lumière blanche et laser 408 nm.)
Facilité d´utilisation, flexibilité
En résumé, « nous voulions pouvoir combiner les mesures quantitatives et qualitatives des vallées et pics sur les surfaces étudiées ou analysées, » raconte le Dr Mischler. Avant d´ajouter : « La visualisation topographique en images 3D permet d´accéder, très rapidement et très simplement, à de l´information directement exploitable pour le résultat de l´étude ou de l´analyse. »
Tandis que d´autres solutions nécessitent l´achat de deux logiciels séparés, l´un pour effectuer les mesures et l´autre pour le traitement des données, « un des points forts de la solution KEYENCE est d´intégrer ces deux outils dans le même package logiciel, » précise le Dr Mischler.
Parvenant à combiner de manière unique la précision, la facilité et la rapidité de mesure, le microscope VK s´est montré le système le plus performant techniquement (rien n´empêche d´ailleurs d´exporter les données de mesures vers des outils d´analyse ultra fine si nécessaire). L´outil logiciel de KEYENCE est vraiment « user friendly, » résume le Dr Mischler. « Après une présentation rapide, la prise en main du système par nos étudiants a été immédiate, et en quelques jours ils ont su profiter des performances de l´appareil et produire des résultats très pertinents. » En clair, le système KEYENCE a été développé pour une utilisation intense. Il répond parfaitement aux attentes d´immédiateté des ingénieurs de production sans frustrer le besoin de qualité et de précision attendu par les ingénieurs de recherche.
Écoute et accompagnement
À l´EPFL, le « temps universitaire » et le « temps industriel » se croisent et s´entremêlent par la force des choses. En effet, certains travaux sont financés dans le cadre de projets industriels de caractérisation topographique de surfaces et d´innovation (horlogerie… biomédical… matériaux… aéronautique… etc.).
En fait, comme l´explique l’ingénieur responsable de KEYENCE, « ce microscope à balayage laser confocal 3D est un système initialement conçu pour la productivité des sites industriels. Alors, même si les demandes du Dr Mischler et de ses étudiants sont parfois très pointues, nous nous efforçons de répondre au plus vite, comme à tous nos clients industriels. » Et il ajoute : « Du reste, pour certains travaux, l´EPFL a elle-même depuis toujours le souci de bien servir ses propres partenaires, y compris lorsqu´ils ont des contraintes d´entreprises industrielles. »
L´École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) est l´une des deux Écoles polytechniques fédérales de Suisse. Dotée d´un statut d´école nationale depuis 1969, la jeune école d´ingénieurs s´est développée sur de multiples plans, au point de devenir l´une des institutions de science et de technologie les plus célèbres d´Europe. À l´image de sa soeur zurichoise, l´ETHZ, elle s´appuie sur ses trois missions de base : la formation, la recherche et le transfert de technologies. Associées à plusieurs instituts de recherche spécialisés, les deux Écoles polytechniques forment le domaine des EPF, qui dépend directement du Département fédéral de l´économie, de la formation et de la recherche (DEFR).
L´EPFL est située à Lausanne, en Suisse, sur les rives du plus grand lac d´Europe, le lac Léman, et au pied des Alpes et du Mont-Blanc. Son campus principal réunit en un seul lieu près de 14 000 personnes, dont 10 000 étudiants. Par son dynamisme et la richesse de la communauté estudiantine, l´EPFL a su créer un esprit particulier empreint de curiosité et de simplicité. Les échanges quotidiens entre étudiants, chercheurs et entrepreneurs présents sur le campus favorisent l´émergence de nouveaux projets scientifiques, technologiques et architecturaux.
- Image d’une piqûre de corrosion sur du Zirconium
