Usage du laser en découpage: Pas forcément super-puissant mais surtout modulable Le laser continue de fasciner

Rédacteur: Jean-René Gonthier

>> Avec un laser, nous pouvons mesurer la distance entre notre terre et la lune avec une très haute précision. La lumière laser peut rendre fluorescentes les molécules les plus petites et nous permet ainsi d’observer le déroulement de réactions biochimiques complexes. Et bien évidemment le laser est aussi capable de façonner la matière en la découpant ou en la texturant. Ce sont ces aspects là qui nous intéressent.

Entreprises liées

Les lasers à impusion ultra-courtes sont fascinants notamment pour découper avec délicatesse de mini tôles sans aucune élévation de température.
Les lasers à impusion ultra-courtes sont fascinants notamment pour découper avec délicatesse de mini tôles sans aucune élévation de température.
(Image: Trumpf)

Les sources laser de télécommunication assurent la transmission du savoir de l’humanité au travers des océans et sur tous les continents. Le laser fait fondre les matériaux les plus durs, ce qui permet de couper d’épaisses plaques de métal en morceaux, de souder ou bien braser des composants ensemble.

Modulation de la force du laser

De manière encore plus perfectionnée, la puissance du laser peut être dosée en impulsions ultra-courtes, ce qui permet d’usiner les matériaux par une ablation « froide », c’est-à-dire qu’ils se vaporisent sans passer par la phase liquide. Cela rend les lasers à impulsion ultra-courte intéressants pour des applications qui exige une très haute qualité d’usinage. La Figure 1 montre une série d’exemples illustrant des lasers à impulsion ultra-courte en action.

Galerie d'images
Galerie d'images avec 17 images

Quels sont les avantages d’un usinage à froid ?

Les impulsions extrêmement courtes et puissantes ne laissent pas le temps au matériau de fondre. Le matériau est vaporisé sans aucune zone affectée thermiquement. Cela engendre une réduction notable du stress thermique et du risque de fissuration et de fragilisation. La qualité de l’usinage est extraordinaire mais en contrepartie la vitesse de découpe est réduite. Un des aspects technologiques les plus intéressants est que pratiquement tous les matériaux peuvent être usinés – métaux, verres, céramiques, polymères, élastomères, semi-conducteurs, composites (figure 2-4). Les possibilités sont donc nombreuses et donnent accès à beaucoup de marchés lucratifs et aux applications polyvalentes.

Parmi les applications actuelles ou potentielles des lasers à impulsion ultra-courte, il faut mentionner la découpe des écrans pour les smartphones, la découpe des CFRP (carbon fiber reinforced plastic, c’est-à-dire un polymère renforcé avec des fibres de carbone) et le scribing des cellules solaires. Nombre d’entreprises multinationales ont d’ores-et-déjà investi dans des systèmes lasers à impulsion ultra-courte. Mais la maturité de cette technologie permet maintenant d’explorer son utilisation pour des entreprises de plus petite taille, spécialisée sur des marchés niches à haute valeur ajoutée

Façonner au laser, une innovation qui vaut la peine

Plus particulièrement pour les start-ups et les PME qui cherchent à réaliser un produit innovant, il peut être intéressant de mettre au point un procédé de fabrication laser en collaboration avec des centres de recherche établis dans le cadre d’un mandat direct ou d’un partenariat publique-privé. La production peut ensuite être sous-traitée chez un fournisseur spécialisé dans la découpe laser.

Quelques exemples: Dans la microtechnologie, l’usinage par laser complémente les technologies de fabrication établies. Avant la mise-en-place coûteuse de lignes de photolithographie ou de moulage par injection, la fabrication de prototypes et de séries pilotes peut être réalisée efficacement et à moindre coût par des lasers à impulsion ultra-courte, par exemple pour la découpe de capteurs d’accélération en matériaux fragiles. Pour la découpe de substrats de capteurs fluidiques en verre, le laser peut à la fois être utilisé pour la structuration des électrodes dans un film de métal sur le verre mais aussi pour le perçage et la découpe du verre. La fabrication des prototypes lab-on-chip microfluidiques en verre ou en polymère est souvent réalisée par laser. Parfois, la microfabrication avec laser est la seule option à cause des certaines limitations des technologies traditionnelles en terme de matériau ou de design.

Une autre question se pose souvent...

Comment séparer des composants fabriqués sur un wafer (procédés par lots) si le sciage n’est pas une option ? Des lasers à impulsion ultra-courte sont utilisés pour la séparation de puces (« chips ») en silicium ou verre, qui ne sont pas arrangées sur le wafer de manière régulière ou rectangulaire, pour la séparation des collimateurs pour des sources de rayons X microstructurées et fragiles, ou pour la séparation des sondes électroniques filigranes, microfabriquées en métaux précieux avec des sections transversales de quelques dizaines de micromètres. Pour la production de petites séries, il est parfois plus efficace de commencer la microfabrication avec des wafers de grand diamètre, par exemple de 6 pouces, de les couper avec un laser à impulsion ultra-courte en wafers plus petits, par exemple de 2 pouces, et finaliser la production sur ceux-ci. Cela se fait par exemple pour des components optiques hauts de gamme.

Le potentiel pour l’horlogerie

Quant à l’horlogerie, la fabrication avec des lasers à impulsion ultra-courte permet l’usinage des matériaux qui ne sont pas accessibles aux technologies classiques. Par exemple, il est possible de percer et découper des éléments d’horlogerie, qui se composent d’un substrat de verre ultra fin laminé d’un film polymérique nanostructuré, sans casser le verre et en même temps sans fondre le film plastique. D’autres matériaux très durs comme le saphir ou la céramique, avec leur résistance extraordinaire à la corrosion, l’abrasion et l’expansion thermique, peuvent aussi être usinés par ablation froide.

Étant donné que les lasers à impulsion ultra-courte deviennent toujours plus puissants – par exemple grâce au concept d’amplificateur laser à disques TRUMPF – il est bientôt envisageable que la fabrication de pignons, de ressorts du levier de réglage, de ressorts en spirale et d’autres components en métal puisse être effectuée de manière efficace dans un avenir proche. Pour les marques horlogères de haut de gamme, qui font avancer l’emploi de matériaux innovants pour les échappements, balances et mouvements, les lasers à impulsion ultra-courte pourraient être un instrument très intéressant pour la réalisation de prototypes.

Quels sont les prochains challenges ?

Les lasers à impulsion ultra-courte ont connu des développements remarquables lors de ces dernières années. Sortant des laboratoires scientifiques, ils font leur entrée dans les lignes de production industrielle. Un marché prometteur s’ouvre en ce moment pour les entreprises spécialisées dans la construction mécanique, y compris l’intégration des lasers et de composants optiques. Chaque application – c’est-à-dire la combinaison de matériaux, d’un design et son intégration dans les procédés précédents et suivants de la chaîne de production – a ses propres exigences. L’intégration de plusieurs longueurs d’onde avec les optiques correspondantes est une nécessité pour les développements futurs. Des scanners plus rapides seront disponibles pour l’utilisation de lasers à impulsion ultra-courte avec des hauts taux de répétition.

Des optiques plus sophistiquées seront développées qu’il faudra intégrer dans les machines. Des optiques de trépanation permettront l’ajustage de l’angle de découpe (« taper angle »), ce qui est déjà possible pour le perçage de trous avec des géométries relativement simples. Il sera important que les différentes optiques puissent être changées de manière modulaire.

La force de l’innovation, résultant de la collaboration entre des institutions de recherche publiques et de l’industrie, permettra de conquérir de nouveaux marchés et applications dans les années à venir. Les lasers à impulsion ultra-courte continueront d’exercer une fascination sur ceux qui les développent, les construisent et les utilisent. <<

(ID:43545274)