Un microscope à balayage laser pour des analyses de surfaces

Pour Stefano Mischler, responsable du groupe de Tribologie et Chimie d’Interface à l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), il s’agit de conduire des travaux de recherche et de valider des développements préindustriels, ou encore de diagnostiquer des pièces mécaniques usées ou corrodées, afin de comprendre les problèmes de conception ou de vieillissement, en vue d’aider à les corriger.

 

Le nouveau microscope à balayage laser 3D (VK-X260) utilisé dans un laboratoire de l’EPFL permet de réaliser des analyses de surfaces plus fines et plus rapides.

La microscopie, pour «profiler» les surfaces

La rugosité de la surface d’un matériau affecte son aspect, que nous percevons par la vue et le toucher. Mais elle impacte aussi la manière dont ce matériau va s’user par frottement ou par corrosion, sa capacité à se souder ou à former un joint avec un autre matériau, ou encore sa capacité à retenir de l’eau, ou à être peint. Le «profil» de surface d’un matériau a donc des conséquences importantes sur la durée de vie, la durabilité de ses caractéristiques mécaniques et physiques, les risques de fragilité d’un produit, notamment.

Les laboratoires de l’EPFL travaillent régulièrement avec l’industrie. À titre d’exemples, on peut citer la caractérisation de la topographie de pièces usées ou corrodées, ou encore l’analyse des piqûres dans des surfaces métalliques abimées par l’eau de mer.

Depuis les années 70, souligne Stefano Mischler, «les laboratoires de l’EPFL ont acquis une bonne 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.

Alors que le microscope à balayage électronique (SEM, pour Scanning-Electronic-Microscope) ne donne pas d’information verticale, comme la profondeur des vallées et la 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.

 

Image d’une piqûre de corrosion sur du zirconium.

La microscopie confocale pour étudier les micro-géométries en surface

Pour la conduite de nouveaux travaux, les équipes de Stefano Mischler devaient pouvoir étudier les micro-géométries en surface des matériaux, sur toute leur profondeur. D’où le choix porté sur la microscopie «confocale». Compte tenu des applications qu’il fallait couvrir, une des limitations de la «microscopie classique» est que l’image ne peut être nette que dans le plan de focalisation du système optique. En effet, 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 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 ou la hauteur des vallées et pics des micro-géométries de cette surface.

«Parmi les solutions considérées, certaines sont plus ou moins spécialisées», explique Stefano Mischler. «Par ailleurs, la qualité de l’instrument, 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», ajoute-t-il. En quelques mots, celui-ci présente les spécifications suivantes:

 

Facilité d’utilisation et souplesse

«En fait, nous voulions pouvoir combiner les mesures quantitatives et qualitatives des vallées et des pics sur les surfaces étudiées ou analysées», explique Stefano Mischler. «La visualisation topographique en images 3D permet d’accéder très rapidement et facilement à de l’information directement exploitable pour le résultat de l’étude ou de l’analyse», poursuit-il. Alors que d’autres solutions nécessitent l’achat de deux logiciels, l’un pour effectuer les mesures et l’autre pour le traitement des données, la solution retenue permet d’intégrer ces deux outils dans le même logiciel.

 

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