Du déchet à la ressource : une nouvelle vie pour le verre des téléphones intelligents

L’équipe de l’ÉTS, menée par Lucas Hof, a analysé le micro-usinage de formes libres du verre renforcé chimiquement en fin de vie provenant d’écrans de téléphones intelligents. Découvrez le résumé de leurs travaux. 

Résumé

Dans le contexte de la fabrication circulaire, de nombreuses sources de déchets sont étudiées pour être réemployées. C’est le cas des déchets électroniques, dont la courte durée de vie des téléphones mobiles et le renouvellement fréquent par les consommateurs ont provoqué une augmentation importante des appareils mis au rebut au cours des dernières décennies. Recycler ces produits en refabriquant leurs composants semble donc une opportunité à saisir. Or, l’industrie des téléphones intelligents utilise pour ses écrans du verre renforcé chimiquement (VRC), un matériau conçu avec une forte contrainte de compression en surface qui le rend notoirement difficile à réusiner par les techniques conventionnelles sans provoquer de fractures catastrophiques. Le Laboratoire de fabrication intelligente et circulaire (LFIC) de l’ÉTS a adapté une technique hybride, la gravure chimique assistée par étincelles (SACE, Spark Assisted Chemical Engraving), et a souhaité explorer son potentiel pour revaloriser de manière sécuritaire ces déchets de verre à haute valeur ajoutée. La qualité de coupe et l’intégrité de surface d’un tel procédé sont fortement dépendantes des paramètres électriques, de la vitesse d’avance et de la concentration de l’électrolyte.

L’objectif principal de cette étude est d’explorer la faisabilité du procédé SACE pour la refabrication du VRC en fin de vie. Pour ce faire, un plan d’expériences robuste a été formulé afin d’optimiser le procédé d’usinage. Le verre a été submergé dans un électrolyte d’hydroxyde de potassium (KOH) et une machine SACE de haute précision à trois axes, conçue sur mesure, a été utilisée. Trois paramètres clés du procédé, soit la tension, la vitesse d’avance et la concentration en KOH, ont été variés et soigneusement analysés afin de trouver l’équilibre optimal entre la précision et la qualité du fini de surface.

Les effets des paramètres du procédé SACE sur le verre ont été étudiés sous plusieurs aspects en utilisant diverses méthodes de caractérisation :

• L’écaillage
• La rugosité arithmétique de la surface de coupe (Sa)
• La largeur de coupe (trait d’usinage)
• L’indice de distance de surface (rectitude de la coupe)
• L’arrondi des arêtes

Les résultats expérimentaux permettent d’assurer que le SACE est un procédé d’usinage de formes libres en une seule étape hautement viable pour le VRC, atténuant avec succès les fractures catastrophiques fréquentes avec les méthodes mécaniques et au laser. Les performances optimales, produisant des surfaces lisses et un minimum de défauts, ont été obtenues à 33 V, 5 µm/s et 30 % massique de KOH. La Figure 1 représente une vue macroscopique d’une longue coupe en spirale, démontrant la capacité du procédé à produire de manière fiable des géométries complexes de formes libres. En outre, l’analyse statistique a révélé un fort effet synergique entre la tension (V) et la concentration de l’électrolyte (C) : une tension élevée dégrade considérablement la qualité de la surface, particulièrement à des concentrations de KOH plus élevées. L’observation des bords de coupe au microscope a mis en évidence l’importance du contrôle des paramètres. La Figure 2 représente une observation optique de ces arêtes, montrant un écaillage sévère et généralisé avec des paramètres extrêmes (Figures 2e et f) comparativement aux surfaces nettes et uniformes obtenues dans des conditions optimales (Figures 2g et h).

Afin de pouvoir assurer la viabilité industrielle de la technique SACE pour la revalorisation de déchets électroniques à grande échelle vis-à-vis de ses concurrentes très coûteuses (comme les lasers femtosecondes), il reste à évaluer sa capacité de mise à l’échelle en parallèle et d’augmentation du taux d’enlèvement de matière à l’aide de matrices multi-outils.

Figure 1: Démonstration d’une coupe complexe de forme libre (spirale)
sur du verre renforcé chimiquement à l’aide de paramètres SACE optimisés.

Figure 2: Observation microscopique des bords de coupe comparant un écaillage sévère dans des conditions sous-optimales (a-f) à une coupe nette avec des paramètres optimaux (g et h).