E4220

Lasers pour usinage
par
Gilles BRASSART
Ingénieur de l’École supérieure d’optique
Président-directeur général de BM Industries
1.
1.1
1.2
Paramètres et considérations thermiques........................................
Paramètres d’influence ...............................................................................
Considérations thermiques.........................................................................
2.
2.1
Procédés thermiques ..............................................................................
Découpe par laser........................................................................................
2.1.1 Étude paramétrique............................................................................
2.1.2 Rôle du gaz d’assistance ....................................................................
2.1.3 Vitesses de coupe ...............................................................................
Perçage par laser .........................................................................................
2.2.1 Étude paramétrique............................................................................
2.2.2 Rôle de la forme temporelle de l’impulsion .....................................
2.2.3 Application numérique.......................................................................
Soudage par laser........................................................................................
2.3.1 Soudage par laser CO2 ......................................................................
2.3.2 Soudage par laser Nd:YAG ................................................................
2.3.3 Application numérique.......................................................................
Traitements superficiels par laser ..............................................................
2.4.1 Durcissement superficiel....................................................................
2.4.2 Fusion superficielle.............................................................................
2.4.3 Création d’alliages ..............................................................................
2.4.4 Obtention de structures microcristallisées.......................................
—
—
—
—
—
—
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—
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3
3
3
4
4
4
4
5
5
5
6
6
6
7
7
7
7
8
3.
3.1
3.2
3.3
Procédés athermiques ............................................................................
Thermoélasticité ..........................................................................................
Photoablation...............................................................................................
Choc-laser.....................................................................................................
—
—
—
—
8
8
9
9
4.
4.1
Procédés spécifiques ..............................................................................
Marquage de câbles aéronautiques...........................................................
4.1.1 Pigments employés ............................................................................
4.1.2 Mécanisme de coloration des pigments sous flux laser .................
4.1.3 Évaluation du contraste du marquage par laser..............................
4.1.4 Influence des paramètres du laser sur le contraste.........................
4.1.5 Avantages du procédé de marquage par laser ................................
Fabrication d’objets en trois dimensions ..................................................
4.2.1 Différents procédés ............................................................................
4.2.2 Exemple d’application........................................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
10
10
10
10
10
11
11
11
11
12
Références bibliographiques .........................................................................
—
12
2.2
2.3
2.4
E 4 220
9 - 1996
4.2
E 4 220 - 2
—
2
—
2
’interaction entre le champ électromagnétique intense et la matière a suscité
un vif intérêt scientifique dès la mise en œuvre du premier émetteur laser
réalisé par Maiman en juillet 1960. Les procédés d’usinage et de transformation
des matériaux par laser sont classés selon l’éclairement reçu et la durée de
l’interaction :
— les procédés thermiques tels que la découpe, le perçage, le soudage et les
traitements superficiels s’effectuent sous des éclairements compris entre 10 3
et 10 8 W/cm2 durant des durées d’interaction comprises entre 10 –8 s et quelques
secondes ;
L
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LASERS POUR USINAGE _________________________________________________________________________________________________________________
— les procédés athermiques tels que la thermoélasticité, la photoablation et le
choc-laser s’effectuent sous des éclairements compris entre 10 6 et 1012 W/cm2
durant des durées d’interaction comprises entre 10 –10 et 10 –7 s.
D’autres procédés spécifiques qui font intervenir des réactions chimiques, tels
que notamment le marquage par photoréduction ou la fabrication d’objets en
trois dimensions, s’exécutent comme les procédés thermiques et athermiques
pour des fluences comprises entre 1 mJ/cm2 et 10 6 J/cm2.
Les procédés décrits dans cet article représentent l’économie principale des
applications industrielles du laser. Bien que cette revue des procédés ne soit pas
exhaustive, elle représente, d’une part, les procédés reconnus comme suffisamment fiables pour être industrialisés et, d’autre part, les procédés récents
reconnus comme industrialisables.
1. Paramètres et
considérations thermiques
1.1 Paramètres d’influence
Les paramètres qui interviennent dans les procédés thermiques
ou athermiques induits par un faisceau laser sur un matériau sont
les suivants :
— paramètres du laser :
• la longueur d’onde :
λ
(nm)
• la puissance moyenne (flux) :
F
(W)
α
(mrad)
• la divergence du faisceau :
• l’énergie par tir :
(J)
• la durée de l’impulsion :
τ
(s)
• le diamètre du faisceau :
D
(cm)
— paramètres de confinement du laser :
• la focale de la lentille :
f
(cm)
• le diamètre du faisceau
sur la face d’entrée de la lentille :
Dop (cm)
• l’éclairement sur la cible :
E
(W/cm2)
— paramètres du matériau :
• le coefficient de réflexion
(sans dimension)
de la surface à la longueur d’onde λ : • la masse volumique de la matière :
ρ
(g/cm3)
• la conductivité thermique :
K
(W · cm–1 · K–1)
• la capacité thermique massique
à pression constante :
C
(J · g–1 · K–1)
(J/g)
• l’enthalpie de fusion :
Lf
• l’enthalpie de vaporisation :
Lv (J/g).
Le coefficient de réflexion d’un matériau dépend de l’état de
la surface, de la température et de la présence éventuelle d’oxydes
ou de dépôts. Le coefficient d’absorption est défini par la différence
(1 – ).
Les matériaux métalliques ont un comportement complexe sous
le flux intense d’un laser. La plupart d’entre eux ont une faible absorption de l’énergie infrarouge pour des éclairements faibles. Il est
courant de constater des coefficients d’absorption de 0,5 % à 10 %.
Lorsque l’éclairement atteint quelque 10 6 W/cm2, le coefficient
d’absorption peut atteindre 90 %.
Les matériaux non métalliques absorbent beaucoup plus l’énergie
infrarouge. Il est courant de constater des coefficients d’absorption
de 90 %. Cette valeur dépend peu de l’éclairement.
1.2 Considérations thermiques
Un matériau subit des transformations physiques lorsque l’interaction avec le faisceau laser est intense.
Prenons le cas d’une pièce de cuivre pur chauffée à flux constant,
sans perte, à pression constante et de masse unitaire. Le diagramme
temps-température est présenté sur la figure 1.
Les états thermodynamiques observés sont les suivants.
■ Pour la phase solide (du point A au point B)
La pression P est constante, le volume V de la pièce de cuivre
augmente d’une valeur dV, conformément à sa propre loi de dilatation thermique, l’énergie thermique ∆ th accumulée au sein de
la matière durant la variation de température depuis la température ambiante Ta jusqu’à la température de fusion Tf , varie selon
l’expression :
∆ th = q ( A → B ) – PdV
où q (A → B) est la quantité de chaleur nette reçue. Le terme
q ( A → B ) = ∆ th + PdV est appelé enthalpie, désignée par
∆H (A → B). Dans les procédés par laser, le terme P dV est
négligeable ; il s’ensuit que :
q ( A → B ) = ∆H ( A → B ) = ∆ th = C ( T f – T a )
■ Pour la phase de transformation de l’état solide à l’état liquide
(du point B au point C)
La pression P est toujours constante, le volume V de la pièce de
cuivre augmente, mais comme précédemment la quantité de chaleur
nette reçue est telle que :
q (B → C) = ∆H (B → C) = L f
où L f est l’enthalpie de fusion du cuivre.
■ Pour la phase liquide (du point C au point D)
La pression P reste constante, le volume V continue d’augmenter.
La quantité de chaleur nette reçue depuis la température de fusion
Tf jusqu’à la température Tv varie selon l’expression :
q (C → D) = ∆H (C → D) = C (Tv – Tf)
■ Pour la phase de transformation de l’état liquide à l’état de
vapeur (du point D au point E) :
La réaction est identique à la transformation solide-liquide et la
quantité de chaleur nette reçue est telle que :
q (D → E) = ∆H (D → E) = L v
où L v est l’enthalpie de vaporisation du cuivre.
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Lorsque la pièce de cuivre passe du point A au point E sous l’action
du laser, l’énergie totale q (A → E) emmagasinée par unité de masse
est :
q (A → E) = C (Tv – Ta ) + L f + L v
La chaleur spécifique C à pression constante varie avec la température selon la formule C = a + 2bT – cT 2 où a, b et c sont des
coefficients empiriques constants (K. Kelley – Bureau des Mines –
Bulletin 584). Dans les évaluations pratiques, la chaleur spécifique
sera considérée comme constante.
Le tableau 1 donne les principaux paramètres de quelques
matériaux.
(0)
Tableau 1 – Caractéristiques thermiques
de quelques corps purs
Aluminium
Argent.........
Béryllium ....
Chrome
Cuivre .........
Étain............
Fer...............
Molybdène
Nickel .........
Or ...............
Palladium ..
Platine........
Silicium .....
Tantale.......
Tungstène .
Zinc ............
Tf
Tv
(oC)
(oC)
660
961
1 277
1 875
1 083
232
1 533
2 610
1 453
1 063
1 552
1 769
1 410
2 996
3 410
420
2 467
2 212
2 970
2 665
2 595
2 270
2 750
4 612
2 730
2 807
3 140
3 827
2 355
5 425
5 660
906
C
(J · g–1 · K–1) (g/cm3)
0,900
0,234
1,883
0,460
0,385
0,226
0,460
0,276
0,439
0,130
0,243
0,130
0,678
0,142
0,138
0,385
2,70
10,49
1,85
7,19
8,96
5,76
7,87
10,20
8,90
19,32
12,02
21,45
2,33
16,60
19,30
7,13
LASERS POUR USINAGE
2. Procédés thermiques
Ils sont ainsi nommés, car ils mettent en œuvre une forte énergie
lumineuse à dissiper dans la matière. Les lasers utilisés sont le laser
à dioxyde de carbone (CO2) et le laser à solide constitué d’une matrice
cristalline (Y3 Al5O12) dopée par l’ion néodyme (Nd 3+), désigné par
Nd:YAG.
Le procédé le plus couramment utilisé dans l’industrie est la
découpe par laser. Le perçage et le soudage arrivent en second rang.
Les traitements superficiels sont plus spécifiques, mais offrent un
potentiel important (figure 2).
2.1 Découpe par laser
Hf
Hvf
(J/g)
(J/g)
395
10 530
104,6 2 330
1 088
402
6 541
213
4 796
60,7 2 390
274
7 114
292
5 122
309
6 449
67,4 1 870
162
3 500
112,6 2 620
1 808
10 610
155
4 185
184
4 813
100,9 1 781
Ce procédé résulte de l’association d’une source laser de puissance élevée, d’un système assurant le transport du faisceau par rapport à la pièce et de l’assistance gazeuse au voisinage du point
d’interaction. L’éclairement énergétique nécessaire est compris entre
109 et 1011 W/m2 pour atteindre la fusion locale du matériau. Parmi
les nombreuses sources utilisées dans les applications industrielles,
le laser à dioxyde de carbone en régime continu est le plus utilisé
pour la découpe par laser. La longueur d’onde de l’émission lumineuse est de 10,6 µm.
2.1.1 Étude paramétrique
La qualité du trait de découpe dépend de nombreux paramètres
et notamment, des caractéristiques du faisceau laser : flux (ou puissance) F, polarisation du champ électromagnétique de la lumière,
distribution spatiale énergétique du faisceau ; de la nature du
matériau : épaisseur e, masse volumique ρ, température de fusion
Tf , capacité thermique C ; des caractéristiques du gaz d’assistance :
pression, débit et température ; de la vitesse v du déplacement du
faisceau sur la pièce et de la largeur du trait de découpe. La conception de la tête de focalisation (figure 3) reste un facteur de qualité
important, principalement la longueur de la focale de l’optique de
concentration, la forme de l’extrémité de la buse, la distance entre
la pièce et la buse, et la position du plan de focalisation dans l’épaisseur de la pièce.
Figure 1 – Diagramme temps-température d’échauffement
d’une pièce
Figure 2 – Procédés thermiques
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LASERS POUR USINAGE _________________________________________________________________________________________________________________
2.1.3 Vitesses de coupe
Le tableau 2 présente des indications sur les vitesses de coupe
pour différents matériaux.
(0)
Tableau 2 – Vitesse de découpe par laser
Matériau
Épaisseur
(mm)
L’interdépendance de ces paramètres et la complexité des phénomènes rendent difficile la modélisation de la coupe. Néanmoins, en
première approximation la proportionnalité entre le flux (puissance)
F du laser et la vitesse de découpe v s’expriment de la façon suivante :
v = kF ( e ρ CT f )
où k est un coefficient sans unité qui prend en compte l’absorption
du matériau, la rugosité de la surface et la nature du gaz d’assistance.
Le modèle correspondant défini par Querry [1], correspond à
l’expression empirique suivante :
v = 7,43 e–1,06 F 0,63
où v est exprimée en m/min, e en mm et F en kW pour une focale
de 18 cm, une pression de l’oxygène d’assistance de 1,2 bar et un
débit de 1,8 m3/h. Ce modèle est applicable pour des épaisseurs
comprises entre 1 et 50 mm et des puissances comprises entre 0,25
et 15 kW. Pour des épaisseurs inférieures à 6 mm, Miyazaki [2] propose pour les mêmes aciers une expression légèrement différente,
qui, dans les mêmes unités, est :
v = 3,5 e–0,56 F 0,5
2.1.2 Rôle du gaz d’assistance
Le gaz permet d’améliorer notablement la qualité de la découpe
quel que soit le matériau. Pour les matériaux non métalliques, les
gaz inertes, tels que l’azote, l’argon ou l’hélium, ou l’air comprimé
conviennent parfaitement.
Par contre, pour les matériaux métalliques, l’oxygène est couramment utilisé. On retrouve ainsi une découpe par oxydécoupage :
le laser entretient la réaction exothermique d’oxydation du métal par
le jet d’oxygène. Un excès de gaz ou une vitesse trop faible peuvent
conduire à des traits de découpe imparfaits.
Les pressions d’injection de gaz sont comprises entre 1 et 5 bar
et les débits entre 1 et 4 m3/h. L’éjection du bain liquide dans les
découpes de métaux dépend plus de la vitesse du gaz que de sa
pression dans la zone de découpe. Pour des économies de gaz, la
distance de la buse à la pièce doit être supérieure au quart du diamètre de l’extrémité de la buse. Dans ces conditions, les découpes
laser satisfont au compromis vitesse de découpe, économie des
gaz, qualité et stabilité du processus.
E 4 220 − 4
Puissance
du laser
(kW)
PVC...........................
0,30
3
0,1
Mylar ........................
0,02
1 200
0,3
Téflon .......................
0,04
15
0,38
0,001
600
0,4
Papier .......................
Figure 3 – Tête de focalisation d’un laser de découpe
Vitesse
de découpe
(m/min)
Bois ..........................
25,0
1,5
8
Fibres de verre ........
12,5
4,5
20
Acier doux ...............
3,0
0,5
0,5
Acier inoxydable .....
3,0
5,0
1
Acier rapide .............
5,5
0,6
0,5
Aluminium...............
12,5
2,3
15
Titane .......................
19,5
2,5
10
2.2 Perçage par laser
Le perçage par laser est une technique qui utilise généralement
une source laser à solide, couramment le laser Nd:YAG. La longueur
d’onde émission est 1 064 nm. Le laser est couplé, par fibre optique
ou par miroirs, à une machine multiaxes (de 3 à 6 degrés de liberté)
qui permet de déplacer dans l’espace de perçage une pièce de formes
géométriques plus ou moins complexes. Le laser fonctionne en
régime impulsionnel. Selon la nature des matériaux et les épaisseurs
à percer, il sera nécessaire d’effectuer un ou plusieurs tirs pour
déboucher le trou. L’un des avantages du procédé consiste à percer
sous des incidences quelconques, jusqu’à 70 ou 80 degrés. La qualité
d’usinage dépend fortement des conditions de travail et particulièrement de l’ouverture de la lentille de focalisation et des gaz
d’assistance.
2.2.1 Étude paramétrique
L’énergie minimale d’une impulsion laser capable de percer un
trou de diamètre d sur une épaisseur e en un seul tir s’écrit :
π 1
= ----- --------------- ρ d 2e [ C ( T v – T a ) + L f + L v ]
4 1–
où la valeur de la capacité thermique C correspond à une valeur
moyenne dans la gamme de températures comprises entre la température ambiante Ta et la température de vaporisation Tv .
La valeur du coefficient de réflexion à la longueur d’émission
est difficile à évaluer sous un angle d’incidence donné. Cette valeur
dépend essentiellement de la rugosité de la surface et des changements de phase de la matière sous rayonnement intense. Seules
les mesures expérimentales à température ambiante fournissent
des valeurs majorées du coefficient de réflexion moyen ; en effet,
les matériaux en fusion présentent couramment des absorptions
dans le proche infrarouge supérieures à celles des surfaces solides
correspondantes.
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La durée t v nécessaire pour vaporiser le matériau en surface
est [3] :
π
1
t v = ----- ----------------2- ρ KC ( T v – T a ) 2 /E 2
4 1–
où E est l’éclairement sur la pièce tel que :
E = 4 Fc /(πd 2)
avec Fc puissance crête ( F c = / τ ) .
La vitesse de propagation de l’interface liquide-vapeur dans le
matériau s’écrit [3] :
v i = ( 1 – )E/ ρ [ C ( T v – T a ) + L v ]
Le temps de perçage t p d’un trou de diamètre d et d’épaisseur e
est donc :
t p = tv + (e/vi)
Si la durée τ de l’impulsion est inférieure à t p , le trou ne débouchera pas. Si τ est nettement plus grand que tp , le procédé ne sera
pas optimisé. Par ailleurs, la valeur de la diffusivité thermique δ caractérise l’aptitude du matériau à favoriser l’opération de perçage ou
de soudage par laser. En effet, la constante de diffusion thermique
t du matériau sur l’épaisseur e est définie par :
t = e 2/4 δ = e 2ρC/4K
Si t est faible, la diffusivité est grande et la pièce se prête mal au
perçage. Cela est d’autant plus vrai si t < t p . Les conditions idéales
de perçage sont telles que :
tp τ < t
2.2.2 Rôle de la forme temporelle de l’impulsion
Il paraît intéressant de proposer une variante à l’hypothèse d’une
distribution temporelle uniforme de l’impulsion laser. Cette variante
consiste à sculpter une forme temporelle particulière. Ainsi, dans un
premier temps assez bref, la puissance crête est suffisante pour vaporiser rapidement la surface du matériau et ainsi abaisser le coefficient
de réflexion. Dans un second temps, l’énergie lumineuse est apportée sous une puissance crête moins élevée, mais durant un temps
compatible avec l’épaisseur à percer.
2.2.3 Application numérique
Il s’agit de percer un alliage de cobalt-nickel dont les caractéristiques sont les suivantes :
LASERS POUR USINAGE
Le trou recherché a un diamètre d = 0,5 mm et une épaisseur e
de 1 mm. Les caractéristiques de l’impulsion lumineuse sont alors,
pour une évaluation de de 10 % :
= 16,7 J
Fc = 20 kW pour τ = 808 µs
Fc = 30 kW pour τ = 539 µs
Fc = 40 kW pour τ = 405 µs
La constance de diffusion thermique t sur 1 mm est de 423 ms
pour les valeurs moyennes de C et K respectivement égales
à 0,69 J · g–1 · K–1 et à 0,37 W · m–1 · K–1.
Il reste à noter que la qualité du faisceau laser et l’apport du gaz
d’assistance sont les paramètres essentiels pour fabriquer des trous
calibrés, cylindriques ou avec une conicité réduite. Il est nécessaire
notamment de s’assurer que la zone de focalisation possède un diamètre inférieur au diamètre du trou recherché et que la répartition
spatiale de part et d’autre de cette zone ne varie pas sensiblement
de diamètre sur 1,2 à 1,5 fois l’épaisseur à percer, sans quoi le trou
peut être évasé.
2.3 Soudage par laser
Le soudage par laser complète efficacement d’autres techniques
telles que le soudage électrique, le soudage à l’arc ou au faisceau
d’électrons. L’avantage essentiel du laser dans le procédé de
soudage est d’apporter localement un flux intense et contrôlé. Cela
permet de souder des matériaux très différents thermiquement ou
de réaliser des joints de soudure sur des surfaces gauches et
complexes.
Le soudage laser se réalise soit avec un laser à dioxyde de carbone
CO2 en régime continu, soit avec un laser à solide Nd:YAG en régime
continu ou impulsionnel.
Une soudure réalisée par laser se traduit par une fusion localisée,
caractérisée par trois zones (figure 4) :
— la zone fondue par l’apport énergétique de la source ;
— la zone thermiquement affectée, échauffée par conduction au
sein de laquelle des transformations métalliques se produisent ;
— la zone de liaison, interface entre les zones précédentes, qui
est le siège de diffusion.
Pour une épaisseur soudée donnée, les volumes de métal fondu
et thermiquement affecté décroissent lorsque la densité de puissance augmente. Le laser reste donc l’outil adapté pour le soudage, car il limite l’échauffement, induit de faibles contraintes
résiduelles et des déformations limitées.
ρ = 9 g/cm3
Tf = 1 425 oC
Tv = 3 185 oC
L f = 255 J/g
L v = 5 918 J/g
C = 0,42 + 1,68 × 10– 4 T (en J · g–1 · K–1)
K = 11,5 + 1,60 × 10–2 T (en W · m–1 · K–1)
où la température T est exprimée en degrés Celsius.
Figure 4 – Zones d’une soudure par laser
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LASERS POUR USINAGE _________________________________________________________________________________________________________________
2.3.1 Soudage par laser CO2
Pour des niveaux de puissance laser inférieurs au kilowatt, les profondeurs de pénétration sont relativement faibles ; ainsi pour un
acier commun, la profondeur de pénétration de la zone soudée est
de 0,15 mm pour une vitesse de déplacement de 10 m/min et un laser
de 400 W.
Les pénétrations plus profondes sont atteintes avec des lasers
multikilowatts comme le présente la figure 5. Dans ces situations,
la soudure présente instantanément dans le bain du métal en fusion
une dépression nommée keyholing en anglais, dans laquelle l’énergie lumineuse pénètre [4]. Cette dépression disparaît après le passage du faisceau laser et laisse un joint de soudure semblable à celui
obtenu avec un faisceau d’électrons.
Les aciers inoxydables donnent d’excellents résultats. En effet, la
faible conductivité thermique de ces alliages permet d’obtenir des
cordons plus fins et plus pénétrants qu’avec les aciers au carbone.
Les alliages base nickel se soudent également de façon satisfaisante. Quelques problèmes de fissuration peuvent apparaître.
Les alliages spécifiques de tantale, titane et zirconium donnent de
bons résultats, si le bain de fusion est correctement protégé de toute
pollution gazeuse.
Les alliages d’aluminium sont difficiles à souder et se fissurent
assez vite. Les alliages de cuivre se soudent mieux au laser Nd:YAG
qu’au laser CO2 .
Figure 5 – Pénétration en soudage par laser CO2
2.3.2 Soudage par laser Nd:YAG
Pour définir correctement les paramètres du laser impulsionnel,
il est utile de connaître le modèle thermique proposé par Cohen et
Epperson [5]. Il s’agit d’une résolution particulière de l’équation de
la chaleur dont les résultats sont présentés dans la figure 6. L’utilisation de cette figure permet :
— après évaluation des nombres sans dimension Y et T tels que :
Y = L f /C Tf et T = 40 Tv /Tf
— de trouver, à partir des valeurs de Y et de T, les valeurs des
paramètres t n et D sachant qu’ils expriment les relations suivantes :
t n = t v /t f et D = 8,33 ρ L f p /Et f
où t v est le temps nécessaire pour atteindre l’état de vaporisation
et t f est le temps nécessaire pour atteindre l’état de fusion à la surface du matériau et tel que :
2
t f = π ρ C T f K ⁄ ( 2 E )2
et où p est la profondeur de fusion recherchée.
En combinant les équations qui expriment D et t f , l’expression
de l’éclairement E est la suivante :
2
E = π C T f K D ⁄ ( 33,32 L f p )
La durée de l’émission laser est limitée à t v . Si le diamètre du
spot laser focalisé est D spot , l’énergie laser par tir est définie par :
2
= E t v ( π D spot ⁄ 4 )
Figure 6 – Abaque de détermination d’un laser Nd:YAG de soudage
2.3.3 Application numérique
Il s’agit, à partir d’une bande d’acier de 0,15 mm d’épaisseur de
former un tube. Les deux extrémités de la bande se recouvrent et
un laser Nd:YAG fait des points de soudure sur le recouvrement. Les
propriétés de l’acier sont fixées par les paramètres suivants :
— température de fusion
Tf = 1 539 oC
— température de vaporisation
Tv = 2 750 oC
ρ = 7,87 g/cm3
— masse volumique
— enthalpie de fusion
L f = 272 J/g
— capacité thermique massique
C = 0,460 J · g–1 · K–1
— conductivité thermique
K = 0,753 W · cm–1 · K–1
— coefficient de réflexion
= 0,5 à 1 064 nm
Le faisceau laser est concentré dans un diamètre de 1 mm et les
pertes optiques associées à la gestion de ce faisceau sont de 20 %.
Les valeurs des nombres Y et T sont :
Y = 0,38 et T = 71,5
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LASERS POUR USINAGE
Les courbes de la figure 7 permettent de trouver les valeurs de
t n et D :
t n = 3 et D = 4
La profondeur p de fusion recherchée est égale à deux fois
l’épaisseur de la bande métallique, soit 0,03 cm. L’éclairement E a
la valeur suivante :
2
E = π C T f K D /3,32 L f p = 37 913 W/cm 2
La section du faisceau dans le plan de soudure est de 0,007 8 cm2 ;
les valeurs de t f et de t v sont :
t f = 3,5 ms et t v = 10,5 ms
Les principaux paramètres du laser sont l’énergie par tir et la
durée τ de l’émission, tels que :
τ = t v = 10,5 ms
0,007 8 E τ
= ------------------------------- = 7,8 J
0,8 ( 1 – )
Figure 7 – Durcissement superficiel d’un acier 35CD4
Il reste à vérifier que l’énergie évaluée par la formule :
ρ V (C ∆T + L f)
= ------------------------------------------0,8 ( 1 – )
où V représente le volume de métal fondu, reste du même ordre
de grandeur que l’évaluation faite précédemment. Les valeurs intermédiaires sont les suivantes :
V = 2,36 · 10–4 cm3
∆T = Tf – Ta = 1 519 oC
où Ta = 20 oC
La valeur de l’énergie par tir est de 4,5 J, qui ne représente que
58 % de l’énergie calculée précédemment, mais ne prend pas en
compte les pertes thermiques par diffusion thermique.
2.4 Traitements superficiels par laser
L’intérêt industriel pour les traitements de surfaces par faisceau
laser est réel depuis l’avènement des lasers CO2 multikilowatts.
Suivant le temps d’interaction entre le champ électromagnétique du
laser et la matière et les puissances lumineuses mises en œuvre,
le classement des traitements superficiels [6] est le suivant :
— le durcissement superficiel est obtenu pour des éclairements
compris entre 103 et 104 W/cm2 et des durées d’interaction comprises
entre 10–2 s et quelques secondes ;
— la fusion superficielle et la création d’alliages pour des éclairements compris entre 104 et 106 W/cm2 et des durées d’interaction comprises entre 10–3 et 10–1 s ;
— le glaçage et la réalisation de structures superficielles microcristallisées pour des éclairements compris entre 106 et 108 W/cm2
et des durées d’interaction comprises entre 10–6 et 10–3 s.
Pour assurer un bon couplage entre le laser et la matière, il
convient de déposer sur la surface du matériau un absorbant tel
que la poudre de graphite.
2.4.1 Durcissement superficiel
Pour des aciers de construction et les aciers à outils, les meilleures
conditions de durcissement se situent entre l’état de fusion superficielle et l’insuffisance d’épaisseur durcie et dépendent essentiellement de la trempabilité de l’acier. Dans le diagramme densité
d’énergie-vitesse de défilement, les points qui limitent les conditions
optimales pour les aciers cités sont les suivants :
6 000 J/cm2 pour 18 cm/min
2 800 J/cm2 pour 60 cm/min
Les profils de dureté obtenus pour un acier 35CD4 revenu à 400 oC
par un faisceau laser de 1,75 kW présentent tous une allure caractéristique (figure 7). Le plateau de haute dureté est suivi d’une chute
brutale à la limite du cordon traité puis d’un creux dans le cas de
matériau préalablement trempé ou revenu et d’un plat qui indique
la valeur de la dureté initiale. La vitesse de défilement, comprise entre
0,4 cm/s et 0,85 cm/s, influe essentiellement sur la profondeur du
traitement [7]. Il est à noter que les forts gradients thermiques
observés dans la couche traitée induisent un champ de contraintes
résiduelles important dans le matériau [8].
2.4.2 Fusion superficielle
Il s’agit d’un type de traitement intéressant pour des matériaux
pour lesquels une remise en solution et un refroidissement rapide
bouleversent la structure superficielle. Le traitement s’effectue sous
des densités d’énergie comprises entre 5 000 et 10 000 J/cm2. La
zone durcie par une fusion rapide a des compositions diverses selon
la nature du matériau et les duretés couramment obtenues seront
de 900 et 1 000 HV/0,2 pour un acier rapide du type Z85WDV 6.5.2.
2.4.3 Création d’alliages
Le laser permet de réaliser des alliages par métallurgie superficielle. Ces alliages sont créés, soit par apport de poudre métallique,
soit par fusion d’un dépôt préexistant dont on calcule l’épaisseur de
façon à avoir, par un effet de dilution dans le matériau, les teneurs
désirées dans l’alliage.
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LASERS POUR USINAGE _________________________________________________________________________________________________________________
Ainsi, un dépôt préalable de chrome électrolytique d’épaisseur
comprise entre 60 et 140 µm est appliqué sur un acier de type 42CD4.
Le laser utilisé a une puissance voisine de 5 kW et la vitesse de défilement est de 70 cm/min. La teneur en chrome dans l’alliage de surface varie entre 14 % et 25 % selon l’épaisseur initiale du dépôt. La
dureté moyenne est d’environ 650 HV/0,2 sur près d’un millimètre
d’épaisseur et la structure de l’alliage est très fine et suffisamment
homogène pour assurer une bonne résistance à l’usure.
2.4.4 Obtention de structures microcristallisées
Des essais ont été réalisés à partir de structures superficiellement
enrichies en bore et passées très rapidement à l’état liquide. Les
densités d’énergie sont comprises entre 1 000 et 6 000 J/cm 2 pour
des vitesses de défilement de 5 à 250 cm/s. La composition de la
surface obtenue sur l’acier 32NCDV12 est homogène et contient une
forte teneur en bore, proche de celle de l’eutectique Fe–B.
Par ailleurs, l’énergie lumineuse absorbée n’est pas suffisante
pour modifier l’état physique de la matière.
Le coefficient d’absorption du matériau à la longueur d’onde
λ du laser est défini par [9] :
= [ 16π ⁄ ( K C µ 0 µ r λ ) ] 0,5
où µ0 et µr sont respectivement la perméabilité du vide et la perméabilité relative du matériau.
La puissance Pabs absorbée par la matière fait apparaître un coefficient z 0 représentatif de la profondeur de pénétration de l’onde
lumineuse. La relation entre Pabs et z 0 est la suivante :
P abs ( z ) = ( τ )exp ( – z ⁄ z 0 )
où z 0 = [λ /(π K C µ 0 µ r )]0,5.
Le coefficient d’absorption est ainsi relié simplement à la profondeur z 0 :
= 4π ( z 0 ⁄ λ )
3. Procédés athermiques
En dehors du procédé de choc-laser qui n’est pas encore couramment intégré dans l’industrie, l’étude des procédés athermiques
montrent que les éclairements utilisés sont rarement supérieurs à
quelques GW/cm2. Les durées des impulsions sont de 5 à 100 ns
et les énergies lumineuses sont de quelques centaines de millijoules
à quelques dizaines de joules. L’intensité des champs électromagnétiques conduit au phénomène de vaporisation et quelquefois
à la création de plasmas superficiels relativement chauds. Les procédés athermiques se différencient les uns des autres par l’éclairement utilisé (figure 8).
3.1 Thermoélasticité
L’éclairement lumineux déposé sur le matériau est généralement
inférieur à 10 MW/cm2. L’énergie de l’impulsion laser est en tout ou
partie absorbée par la matière et provoque un échauffement local.
La relaxation thermique de la zone chauffée crée des ondes acoustiques dans le matériau. Il est rare d’observer dans ces conditions
une quelconque modification à la surface des matériaux.
Ainsi pour l’aluminium, le coefficient est de 6 % à la longueur
d’onde de 1 064 nm du laser Nd:YAG. La profondeur de pénétration
de l’onde est alors de 5 nm et le pourcentage de la puissance
absorbée à 1/e, c’est-à-dire sur 5 nm, est de 3,8 % soit environ 63 %
de la puissance absorbée par tout le matériau. En régime thermoélastique, la puissance absorbée est totalement convertie en énergie mécanique qui se dissipe dans le matériau sous forme d’ondes
sonores longitudinales et transversales.
La principale application du régime de thermoélasticité est
l’inspection ultrasonore par voie optique. L’émission lumineuse
engendre des ondes ultrasonores (figure 9) dans un matériau métallique ou composite, une détection optique par hétérodynage placée
du côté de l’émission ou derrière l’échantillon permet d’analyser les
échos sonores produits par un défaut situé au sein de la matière.
Les mesures se font sans contact et assurent un contrôle non destructif particulièrement performant.
Une des applications concerne la détection d’anisotropie dans
les tôles. La mesure de la vitesse de ces ondes de surface dans
deux directions perpendiculaires (sens de laminage et sens travers)
permet de mesurer l’anisotropie des tôles due au laminage. Cette
mesure de vitesse a été réalisée avec des traducteurs piézoélectriques par contact. Une détection par sonde hétérodyne permettrait une mesure en ligne dès la sortie des tôles du laminoir [9].
Figure 9 – Inspection ultrasonore
Figure 8 – Procédés athermiques
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Une seconde application potentiellement intéressante concerne
la détection de défauts dans les rails d’une voie de chemin de fer.
La génération d’ondes sonores de volume par laser et la réception
par sonde hétérodyne peuvent permettre de concevoir un matériel
embarquable.
3.2 Photoablation
L’éclairement lumineux déposé sur le matériau est compris entre
10 et 100 MW/cm2. La puissance crête de l’impulsion crée une vaporisation en surface qui débute après un temps t v dont l’expression
analytique est :
2
π ρ C K ( Tv – Ta )
t v = ----- -------------------------------------------2
4
(E )
Dès lors où le mécanisme de vaporisation est installé, la vitesse
de vaporisation atteint rapidement une valeur vc constante telle
que [11] :
( E/ ρ )
v c = -----------------------------------------L v + C ( Tv – Ta )
L’éjection des produits vaporisés engendre une pression locale
Pr normale à la surface dont la forme analytique est la suivante :
( E ) 2
P r = Ev c /L v = -------------------------------------------------------ρ L v L v + C ( T v – T a ) Il faut noter qu’en régime de photoablation, le coefficient d’absorption est plus élevé qu’en régime thermoélastique. La présence d’une
interface liquide élève l’absorption, qui peut atteindre 80 ou 90 %.
La vaporisation, d’après l’expression de t v , n’a lieu que pour des
éclairements absorbés supérieurs à la valeur ( E ) min telle que :
( E ) min = π ρ C K ( T v – T a
)2
⁄ 4τ
0,5
Si le produit ⋅ E est très largement supérieur à ( ⋅ E ) min , la
vaporisation s’accompagne rapidement d’une ionisation et le régime
de choc-laser se substitue rapidement au régime de photoablation.
La pression Pr calculée en régime permanent de vaporisation est
en réalité inférieure à la pression réelle subie par le matériau en
régime d’ablation. En effet, l’éjection de la matière se fait souvent
en phase d’interface liquide et cela accroît considérablement la
contrainte normale à la surface.
En général, la vaporisation ne s’arrête pas immédiatement lorsque
l’impulsion lumineuse cesse, mais elle se prolonge jusqu’à ce que
la température du matériau redescende au-dessous de Tv . Aux forts
éclairements, le régime de vaporisation peut durer plusieurs microsecondes.
Les ondes ultrasonores générées en régime de photoablation ont
des indicatrices différentes de celles fabriquées par le régime
thermoélastique. L’analyse de ces indicatrices permet de distinguer
les deux régimes.
Les applications du régime de photoablation sont très nombreuses
[12].
Le nettoyage reste une des applications industrielles les plus
avancées et répond à des besoins très différents, notamment dans
la restauration de monuments historiques, le nettoyage de façade
d’habitation et de moules industriels. Dans le domaine nucléaire, le
laser permet d’obtenir des degrés de décontamination de surfaces
non négligeables.
Pour qu’un nettoyage par laser soit efficace, il est nécessaire que
l’éclairement minimal utile à la vaporisation du dépôt à éliminer soit
beaucoup plus faible que l’éclairement minimal relatif au support.
Dans ces conditions, le laser opère en régime de photoablation pour
LASERS POUR USINAGE
le dépôt et n’engendre qu’un régime thermoélastique sur le support.
Si l’énergie véhiculée par une impulsion est suffisante pour vaporiser
l’épaisseur du dépôt, le procédé sera optimisé ; sinon plusieurs tirs
seront nécessaires.
Le marquage est également une des grandes applications industrielles. Le laser est couplé à un déflecteur galvanométrique piloté
par un micro-ordinateur. Selon la nature des matériaux et la profondeur de la gravure visée, l’impression laser sera plus ou moins
énergétique. L’ordre de grandeur de l’énergie nécessaire à prélever une épaisseur e de métal est associé à la formule suivante :
= e s ρ C ( Tv – Ta ) + Lv avec s surface de métal à enlever.
Les lasers pour le marquage sur les boîtiers métalliques, les
céramiques et les pièces de verre ou composites nécessitent des
cadences de tir élevées. Le laser Nd:YAG qui émet dans la longueur
d’onde fondamentale à 1 064 nm ou dans une de ses longueurs
d’onde harmoniques, notamment à 532 nm ou 355 nm, fonctionne
à la cadence de 1 à 5 kHz et délivre des énergies de quelques millijoules dans des durées d’impulsions de 80 à 120 ns. Des marquages
profonds nécessitent parfois des lasers de perçage ou de soudage.
Certains matériaux sont marqués avec des lasers CO2 de moyenne
puissance.
La photoablation par laser permet d’exécuter des dépôts de films
minces supraconducteurs à haute température, d’assurer des prélèvements contrôlés dans des tissus biologiques, de réaliser des désorptions de surfaces ou de permettre, en physique fondamentale,
d’analyser par exemple les plasmas de surface.
3.3 Choc-laser
Ces procédés supposent des éclairements lumineux supérieurs en
moyenne à 100 MW/cm2. Dans ces conditions, le champ électromagnétique est suffisamment intense, non seulement pour vaporiser les particules de la surface, mais également pour ioniser ses
mêmes particules et générer un plasma à la surface du matériau.
Lorsque ce plasma se détend, il transmet une quantité de mouvement suffisante pour créer une onde de choc dans le matériau. Pour
augmenter l’efficacité de la compression induite par l’onde de choc,
il est intéressant de déposer une structure de confinement peu absorbante à la lumière laser. Le plasma s’établit à l’interface et l’efficacité
du choc est largement augmentée.
En cas de choc-laser libre, c’est-à-dire sans confinement, le matériau se vaporise en arrière d’un front d’érosion thermique dès que
la température de vaporisation Tv est atteinte. L’évacuation de l’énergie absorbée à la surface du solide ne se fait plus par conduction
thermique à l’intérieur du solide, mais par les électrons de la vapeur
qui emportent l’énergie latente. La vapeur est en équilibre thermique
avec la surface du solide et sa pression est égale à la pression de
vapeur saturante correspondant à la température de surface, qui
continue de croître.
C’est au voisinage de la surface où la densité et la température
sont maximales que s’initie le claquage de la vapeur. Celle-ci devient
opaque au rayonnement laser. Il se forme alors un front d’ionisation
qui tend à remonter vers le laser.
La pression d’ablation Pabl (en kbar) en géométrie plane et à la
surface critique s’exprime par [13] :
–1 ⁄ 8
P abl = 2,4 E 0,75 λ –0,25 τ –1 ⁄ 8 Z –9 ⁄ 16 M 7 ⁄ 16 C o
où l’éclairement E est exprimé en GW/cm2, la longueur d’onde λ en
µm, la durée τ en ns. Z désigne le degré de l’ionisation, M la masse
atomique du matériau, Co le logarithme de Coulomb d’écrantage
électrique du plasma : Co est pris égal à 1/6. Pabl dépend essentiellement de E et peu de λ , τ et Z.
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En cas de choc-laser confiné, la pression d’ablation peut aussi être
évaluée. Une modélisation admet que le matériau et la structure de
confinement ont la même densité et la même impédance acoustique.
Cette hypothèse est bien représentative de la plupart des cas expérimentés. Si l’on admet que les solides dans lesquels se propagent
les ondes de choc sont considérés comme des gaz parfaits, la pression d’ablation en régime confiné s’exprime, pendant l’émission
laser, par [14] :
Pabl.conf = 17,5 (a E )2/3 ρ1/3
où a est la part du laser qui ne sert pas à ioniser le plasma. E est
exprimé en GW/cm2 et ρ en g/cm3.
Couramment a est compris entre 0,1 et 0,5 et le rapport
Pabl.conf /Pabl est compris entre 1 et 4.
Pour l’aluminium (ρ = 2,7 g/cm3), les pressions exercées dans le
matériau sont, pour a = 0,3, les suivantes :
(0)
E ...............(GW/cm2)
1
10
100
P ......................(kbar)
10
150
200
On comprend que, sous de telles pressions, la matière se tasse
superficiellement et l’on constate généralement une augmentation
notable des propriétés mécaniques de la surface.
Les applications du régime de choc-laser sont peut industrialisées.
L’avenir du choc-laser est malgré tout prometteur puisque, par rapport à son concurrent, le grenaillage, il conserve l’état de surface
et contraint la matière sur une profondeur plus importante.
Des applications plus avancées techniquement restent à la limite
des régimes de photoablation et du choc-laser. Il s’agit essentiellement des préparations de surface avant collage ou traitements de
surface conventionnels.
4. Procédés spécifiques
Les procédés qui utilisent le laser sont nombreux et correspondent
parfois à des applications confidentielles ou spécifiques. Le marquage de câbles aéronautiques tend, pour des raisons de sécurité
à se substituer à toute autre technique d’identification. La fabrication
d’objets en trois dimensions se révèle être une méthode tout à fait
originale pour faire rapidement des prototypes de pièces de série.
Cette technologie demande à s’affirmer avant que le procédé de
fabrication ne soit réellement industrialisable.
Les deux procédés décrits dans ce paragraphe représentent des
techniques nouvelles qui mettent en jeu un apport calorifique local
pour déclencher des réactions chimiques particulières.
4.1 Marquage de câbles aéronautiques
Le marquage de câbles électriques utilisé en aéronautique consiste
à identifier chaque câble par un code numérique ou alphanumérique
composé de 10 à 20 caractères et placé tous les 50 ou 60 centimètres.
Un appareil de type Airbus utilise de 300 à 500 km de câbles pour
transmettre l’ensemble des commandes et des contrôles des multiples organes de l’avion. Le marquage doit impérativement éviter
la création de microfissures locales qui constituent une des causes
essentielles des défauts d’isolement électrique entre deux câbles
d’un même toron. Les défauts d’isolement sont à l’origine d’arcs électriques et peuvent provoquer des incendies. Comparé à la méthode
d’impression à chaud qui tend à blesser le diélectrique des câbles,
le marquage par laser reste le procédé le moins agressif dont
l’utilisation se généralise pour les avions et hélicoptères civils et
militaires.
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4.1.1 Pigments employés
L’âme électrique du câble est enveloppée dans un diélectrique,
constitué souvent de kapton. Le vernis qui enveloppe le diélectrique
est un polymère fluoré de type PTFE ou FEP. Différents pigments
blancs ou colorés sont incorporés au polymère. Ces derniers sont
susceptibles de changer de couleur sous l’action d’une impulsion
lumineuse.
Les pigments susceptibles de changer de coloration par effet laser
offrent une palette de couleurs assez large :
TiO2 , Nb2 , O5 et Sb2O3 sont des pigments blancs ;
WO3 , MoO3 et CdS sont des pigments jaunes ;
Cr2O3 et CuCO3 sont des pigments verts ;
Cu2O et Fe2O3 sont des pigments rouges ;
V2O5 est un pigment orangé.
L’oxyde de titane TiO2 dans la variété rutile, une variété cristallographique de cet oxyde, est un pigment d’emploi universel qui présente toutes les qualités idéales pour l’identification des câbles
aéronautiques ; en effet :
— il ne modifie pas les caractéristiques du vernis et ne change
pas de couleur lors de la cuisson de ce dernier ;
— il change de couleur sous l’action d’un faisceau du laser
Nd:YAG doublé ou triplé en fréquence ou éventuellement d’un faisceau de laser excimère ;
— il ne modifie pas la permittivité de l’isolant, n’altère pas la tenue
du câble aux attaques acides ou basiques et le marquage obtenu
satisfait au cahier des charges des équipementiers.
Par ailleurs, l’oxyde de titane a un excellent pouvoir couvrant, qui
représente pour ce pigment blanc, la capacité de celui-ci à imposer
sa couleur par rapport à celle d’une surface sur laquelle il est déposé
de façon homogène.
4.1.2 Mécanisme de coloration des pigments
sous flux laser
Pour les pigments tels que TiO2 , Nb2O5 et WO3 , la différence
d’énergie entre la bande de conduction et la bande de valence est
inférieure à l’énergie du rayonnement laser ; ainsi l’énergie véhiculée
par l’impulsion lumineuse peut être absorbée. Cette absorption
conduit à une élévation de température locale et induit une perte
d’oxygène. Il en résulte une formation d’éléments métalliques de
degrés d’oxydation inférieurs tels que Ti 3+, Nb 4+ et W 5+ qui apparaissent sous forme de composés en microphases et qui créent le
changement de coloration. Les ruptures de liaisons chimiques que
le procédé crée, nécessitent un apport calorifique important que le
seul effet photochimique ne suffirait à produire [15].
Le comportement de pigments tels que Cu2O et Sb2O3 est différent. La coloration s’accompagne d’une oxydation locale.
Pour CuCO3 , l’absorption des photons assure la formation de
l’oxyde CuO par perte du groupement CO2 .
D’une façon générale, l’étape primordiale du marquage laser sur
les câbles aéronautiques est l’absorption de l’énergie lumineuse par
le pigment. Les pigments qui ne peuvent pas absorber la lumière,
compte tenu de leur configuration électronique, ne pourront pas être
marqués par laser.
4.1.3 Évaluation du contraste du marquage
par laser
On désigne par L et L’ les luminances respectives du câble avant
et après marquage par laser. Ces luminances (exprimées en Cd/m2)
sont mesurées à l’aide d’un photomètre dans les conditions d’illumination telles que l’éclairage ambiant ne fausse pas les mesures.
Le contraste c, exprimé en pour-cent est donné par la relation :
c = 100 (L – L’)/L
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Le tableau 3 donne les valeurs des contrastes observés avec
certains pigments et fournit une indication sur les couleurs avant
et après marquage par laser.
(0)
Tableau 3 – Marquage de câbles par laser
Nature
du pigment
Coloration
pigment
après marquage
Contraste
(%)
TiO2
blanc
bleu-noir
Nb2O5
blanc
bleu-noir
69
CdS
jaune
grise
66
70
CuCO3
vert
noire
42
Cu2O
rouge
noire
29
Cr2O3
vert
grise
22
WO3
jaune
noire
10
4.1.4 Influence des paramètres du laser
sur le contraste
Pour un vernis FEP chargé à 4 % de rutile, qui est la concentration
optimale en oxyde de titane, le contraste augmente linéairement
avec la densité d’énergie exprimée en mJ/mm2 fournie par une
impulsion lumineuse de 10 ns de durée à une longueur d’onde de
355 nm. À partir de 20 mJ/mm2, le contraste augmente peu. Au-delà
de 40 mJ/mm2, le vernis polymère commence à se détériorer. À
50 mJ/mm2, le vernis éclate et laisse apparaître le kapton.
Pour une même concentration de rutile dans le même vernis, les
valeurs du contraste sont très différentes selon la longueur d’onde
utilisée. On obtient un constraste optimal de 71 % à 355 nm, alors
qu’il n’est que de 50 % à 532 nm. Par ailleurs, le contraste varie peu
avec la densité d’énergie à 532 nm. On recherchera avant tout une
longueur d’onde fortement absorbée par le pigment pour disposer
de seuils de densité d’énergie les plus faibles possible.
Le kapton a un coefficient d’absorption très élevé aux longueurs
d’onde utilisées, alors que le vernis absorbe peu les différentes
lumières. Les pigments forment donc un écran protecteur pour le
kapton en absorbant la lumière laser sur des épaisseurs extrêmement minces.
4.1.5 Avantages du procédé de marquage par laser
Il est avant tout non agressif et présente une stabilité photochimique remarquable dans une gamme de température de
quelques centaines de degrés.
Le procédé s’effectue sans contact et l’impression s’effectue sans
arrêter la progression du câble. La réalisation du code d’identification
se réalise par la technique du pochoir. Elle consiste à projeter sur
le câble l’image d’un écran constitué de caractères mobiles découpés
dans des minces rubans métalliques. Ces rubans se déplacent les
uns par rapport aux autres pour fabriquer le code recherché. L’impulsion lumineuse éclaire l’écran par transmission et les différents
caractères sont imprimés sur la longueur du câble. L’interaction lumineuse dure une dizaine de nanosecondes.
L’équipement industriel de marquage fonctionne en FAO (Fabrication assistée par ordinateur) et permet des vitesses de défilement
comprises entre 30 et 100 cm/s.
LASERS POUR USINAGE
4.2 Fabrication d’objets
en trois dimensions
La photoablation assistée par laser permet de réaliser des objets
de dimensions moyennes de quelques dizaines de centimètres cube,
de formes complexes en trois dimensions. Cette technique, nommée
photosculpture induite par laser, permet aisément de réaliser des
modèles de pièces préliminaires. La photosculpture utilise des matériaux organiques, notamment des monomères ou des oligomères
et l’opération de photopolymérisation s’effectue en concept FAO.
L’ordinateur dispose, en mémoire, de fichiers de points qui caractérisent le volume à réaliser et commande la déflexion d’un ou de
deux faisceaux lasers pour exécuter la photoablation.
4.2.1 Différents procédés
D’une façon générale, la transformation à l’état solide de monomères, notamment les acrylates, consiste à générer localement des
radicaux libres susceptibles d’amorcer les réactions de polymérisation. Cela peut s’envisager par l’absorption locale de deux photons ou plus simplement par l’absorption locale d’un photon.
■ Procédé biphotonique
Pour des éclairements importants, compris entre 1 et 100 MW/cm2,
les espèces d’un milieu peuvent absorber l’énergie de deux photons
et passer de l’état fondamental à un état excité alors que, sous un
éclairement moins intense, le milieu reste transparent au faisceau
lumineux incident. L’absorption biphotonique permet ainsi, de créer
localement des espèces instables susceptibles d’engager la polymérisation locale. Il convient pratiquement de faire converger, en
un même point de l’espace, deux faisceaux lumineux orthogonaux
provenant d’un même laser. L’éclairement local résultant est suffisant pour provoquer la réaction de polymérisation, alors que les deux
faisceaux isolés dans le monomère liquide sont transmis sans perte.
Des problèmes pratiques déterminants, tels que la difficulté de
déplacer rapidement deux faisceaux lasers et de les focaliser en un
même point à l’intérieur d’une cuve cubique de 20 cm d’arête, et la
nécessité d’obtenir des éclairements élevés pour amorcer la polymérisation, ont rejeté le procédé biphotonique au profit du procédé
monophotonique moins élaboré mais de mise en œuvre plus simple.
■ Procédé monophotonique
Il met en œuvre l’absorption de la lumière en surface du liquide
monomère qui suit la loi exponentielle de Beer-Lambert. Pour obtenir
un modèle à trois dimensions, il faut donc superposer des couches
de matériaux monomères ou oligomères transparents au laser et
adjoindre des amorceurs de polymérisation qui absorbent la lumière.
Lorsqu’une couche a été polymérisée à la surface, par le balayage
d’un faisceau laser selon deux dimensions et suivant la section
exacte de l’objet à réaliser, on ajoute une petite épaisseur de matériau
et on réitère l’opération de balayage. La polymérisation se fait
toujours en surface et cela facilite grandement les échanges
thermiques.
Par analogie aux pixels, l’objet à réaliser est obtenu par la juxtaposition de volumes élémentaires, appelés voxels.
La densité du polymère solide est naturellement plus grande que
le monomère de base et engendre un retrait important que les
systèmes industriels de photosculpture par laser doivent prendre
en compte pour la réalisation de pièces de grandes dimensions.
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LASERS POUR USINAGE _________________________________________________________________________________________________________________
4.2.2 Exemple d’application
Nous admettons que les modèles à réaliser sont inscrits dans un
cube de coté L et que la précision recherchée est ∆L. Il y a donc au
plus (∆L /∆)3 voxels à polymériser. Le temps nécessaire pour fabriquer un objet, dépend :
— du temps t 1 nécessaire à l’ordinateur pour décomposer l’objet
en tranches et faire les corrections nécessaires pour tenir compte
du retrait ;
— du temps t 2 nécessaire pour déposer une nouvelle couche de
monomère ;
— du temps t 3 nécessaire à la polymérisation d’une couche
pour réaliser un périmètre ou une surface.
Si τ est le temps nécessaire à la réalisation d’un voxel,
t 3 = 4τ (L/∆L ) pour la polymérisation d’un périmètre et t 3 = τ (L/∆L )2
pour la polymérisation d’une surface. Les temps t1 et t 2 sont souvent
négligeables devant t 3 .
Si τ = 10–3 s et ∆L = 0,1 mm, la réalisation d’un cylindre de section
carrée de côté L = 100 mm et de hauteur L = 100 mm nécessitera
1,1 h et la réalisation d’un cube de côté L = 100 mm nécessitera
278 h.
Bien qu’il reste probablement à découvrir des solutions innovantes
et rapides pour promouvoir le procédé de photosculpture induite par
laser, chercheurs et industriels sont d’ores et déjà convaincus de
l’intérêt de la méthode.
Le temps t s’exprime par :
t = t1 + t 2 (L/∆L ) + t 3 (L/∆L )
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