Selon Industrial Laser Solution (http://ils.pennnet.com/articles/article_display.cfm?article_id=281315), le nombre de systèmes de lasers industriels installés annuellement a crû de 180 % au cours des dix dernières années. Les résultats de l'année 2006 sont plus modestes que ceux des années antérieures, mais les perspectives d'avenir sont encourageantes pour cette industrie. L'accroissement global de la production de lasers industriels est estimé à 7 % en 2006 et à 6 % en 2007. Les systèmes de lasers à fibre connaîtront la plus forte progression avec un taux de croissance de 57 et 31 % pendant cette période, alors que la production des lasers à cavités solides connaîtra un déclin de 14 et 4 %. Les systèmes de lasers dédiés au marquage et à la découpe du métal en feuilles représentent 60 % du marché total.

L'arrivée récente des lasers à fibre de grande puissance développés par la firme IPG Photonics vient de relancer la course pour de nouvelles innovations technologiques pour les applications de soudage et de découpe. Même si cette nouvelle gamme de produits doit encore faire ses preuves, son arrivée force les autres constructeurs de lasers à développer des solutions plus performantes et moins coûteuses.

Les principales applications des systèmes de lasers industriels 

Il existe trois grandes familles de générateur laser à fortes implications industrielles qui se différencient par la nature de leur cavité : les cavités gazeuses comme les lasers CO₂ (pureté et finesse du faisceau), les cavités solides comme le laser Nd-YAG (puissance du faisceau) et les lasers à semi-conducteur comme les diodes lasers (compact, mobile et efficace). Ce sont aujourd'hui les lasers CO₂ qui sont les plus utilisés dans les industries pour leur précision et leurs fortes puissances. Les principales applications sont :

• l'usinage : le perçage (première application industrielle du laser en 1966), le grainage et la mise en forme tridimensionnelle. Le laser peut usiner des matériaux durs (ex. : le diamant, le tungstène et des alliages à bases de Nickel), mais aussi des matériaux non conducteurs tels que les céramiques, les plastiques et les polymères.

• la découpe des matériaux, qui est, à ce jour, une des plus importantes applications industrielles. On peut, grâce au système laser, découper tous les types de matériaux (aciers, céramiques, plastiques, etc.) présentant des épaisseurs allant jusqu'à 20 mm, avec des précisions et une qualité incomparables.
   

• les traitements de surface : le durcissement, la refusion et le rechargement laser.

• l'opération de durcissement consiste à échauffer rapidement et localement le matériau à une température légèrement inférieure à sa température de fusion.
   
• l'opération de refusion consiste à échauffer le matériau en son point de fusion et de créer ainsi un bain liquide qui refroidira par conduction thermique.
   
• l'opération de rechargement de matière consiste à venir déposer, sous forme de poudre ou de fil, une autre matière possédant des caractéristiques mécaniques intéressantes. Le faisceau laser fond localement les matériaux d'apport et le substrat.

• la soudure laser se fait sans apport de matière. Ses principaux avantages par rapport à des méthodes conventionnelles sont : une vitesse d'exécution beaucoup plus rapide, un retrait mécanique plus faible du fait de l'étroitesse de la zone affectée thermiquement et une grande précision d'exécution.
   
• le marquage : les lasers les plus utilisés pour le marquage et la gravure sont le laser CO₂ et le YAG-Nd. Ils permettent de travailler presque tous les matériaux et ils s'adaptent aux contraintes de production, permettant de marquer des produits statiques et ou en défilement. La profondeur des marques va de quelques microns en superficie à quelques dixième de millimètres pour le marquage profond.
   
• le prototypage rapide ou les méthodes de fabrication par ajout de matière (l'objet est constitué par un empilement séquentiel de couches de matière les unes sur les autres). La technologie laser permet ici d'amener l'énergie nécessaire à la polymérisation d'une résine ou au frittage d'une poudre métallique et de solidifier ainsi une section correspondant à l'objet final. Les lasers utilisés sont principalement de faibles puissances.

La découpe du bois avec les systèmes de lasers industriels 

Les lasers de type CO₂ ont été les premiers à être testés dans la découpe d'avivés de planche de feuillus. L'utilisation de ces lasers connus pour leur forte puissance permet de réaliser des coupes pouvant atteindre des épaisseurs au-delà de 30 mm, mais les vitesses d'avance sont relativement faibles. Principal inconvénient, il se crée un phénomène de carbonisation important du bois et le bord de coupe est marqué par une brûlure. Cette carbonisation affecte la qualité de surface du bois, empêchant même, dans certains cas, d'avoir d'excellents joints de colle. Le taux d'humidité, l'orientation des fibres, la présence de noeuds et la densité du bois constituent également des problémes à résoudre. Dans le cas de la découpe des panneaux, la présence de colle pose un problème puisque le point de fusion est différent de celui du bois. La découpe des contreplaqués est cependant plus fiable.

La découpe laser est donc mise en oeuvre dans les applications où la brûlure d'usinage n'est pas contraignante. Le laser permet la réalisation minces de marquages ou d'usinages aux formes très complexes qui seraient impossibles à réaliser avec les technologies conventionnelles dans des pièces .

Des essais ont été réalisés depuis quelques années avec des lasers « fento seconde ». Bien qu'offrant une qualité de coupe sans carbonisation des matières ou des tissus biologiques, ils ne peuvent répondre que partiellement aux besoins de l'industrie du bois et de l'ameublement et leur coût est trop élevé.

À surveiller :

Très récemment, un autre type de machine de découpe au laser YAG continu est apparu sur le marché. Il allie à la fois les qualités des lasers CO₂ et celles des YAG pulsés. Grâce à ce nouveau type d'équipement, il devient possible de découper des matériaux à des vitesses comparables à celles atteintes par les machines à base de lasers CO₂, mais avec une meilleure qualité de découpe (moins de rugosité). Ce type d'équipement, peu encore diffusé dans le milieu industriel, permettra également de découper dans de meilleures conditions l'aluminium jusqu'alors très difficile à découper du fait de son pouvoir réfléchissant.

D'ailleurs, les constructeurs réalisent des progrès rapides en matière de puissance et de miniaturisation des sources. Ils visent principalement à obtenir une plus grande fiabilité des machines, de meilleures performances de découpe, une simplicité d'usage et une réduction des coûts des équipements.

Toujours au chapitre des nouveautés, Fraunhofer Institute for Material and Beam Technologyles a réalisé un projet pilote avec un laser à fibre polyvalent qui est capable d'effectuer des tâches variées telles que le durcissement, la découpe et la soudure. Ce système laser est deux fois plus petit qu'un laser CO₂ et il peut couper des formes complexes. Il est bien adapté pour les petites et moyennes entreprises ainsi que pour la production de prototypes et de lots réduits.

Voici quelques ressources au Québec 

Bien qu'il existe des sous-traitants spécialisés dans l'utilisation des systèmes de lasers industriels à qui l'entreprise peut confier certains travaux, il est souvent avantageux d'intégrer ce procédé dans le processus de production interne pour exploiter au maximum ses possibilités et ses diverses applications. Cette appropriation permettra de développer de la connaissance nouvelle et un nouveau savoir-faire.

Pour une PME, l'intégration à son processus de fabrication classique existant d'un système de lasers industriels constitue, dans bien des cas, une opération complexe qui ne peut être réalisée avec les ressources internes de l'entreprise. Au Québec, vous pouvez obtenir des conseils et de l'aide en vue de l'implantation des systèmes de lasers dans votre entreprise auprès des organismes suivants :

• Centre spécialisé de technologies physiques du Québec
  http://www.cstpq.com/

Transfert d'information sur la technologie, évaluation de la pertinence du procédé pour votre entreprise, réalisation de prototypes et le soutien à l'implantation du soudage laser : sélection d'équipements, conception de cellules de soudage, optimisation de produits pour le soudage laser, sécurité et entretien

• Institut national d'optique (INO)
  http://www.ino.ca/Fr/Notre_Offre/NotreOffre.aspx

L'INO maîtrise parfaitement la physique de l'application et a développé plusieurs techniques d'usinage au laser au moyen des lasers à excimères, femtosecondes (10-15s), YAG et CO₂ pour la transformation du verre, du plastique et des alliages de métal. Les services offerts sont :

• la fabrication de prototypes de pièces usinées;
• le développement de procédés;
• le développement de systèmes d'usinage sur mesure.
   

• Institut de recherche aérospatiale du CNRC
  http://iar-ira.nrc-cnrc.gc.ca/main_f.html

L'Institut de recherche aérospatiale du CNRC (CNRC Aérospatiale) étudie et met au point des méthodes d'assemblage de produits métalliques faisant appel à des technologies à haute concentration d'énergie. Des études visant à mettre au point des méthodes de soudage par faisceau laser et par faisceau d'électrons de composants aérospatiaux sont actuellement en cours.
 

• icriq.com - Répertoire des fabricants et distributeurs du Québec
  http://www.icriq.com/fr/index.html

Le site icriq.com vous permet d'identifier les ateliers d'usinages et les distributeurs d'équipements dans votre région au Québec.
 

RÉFÉRENCES

Le laser en pleine effervescence. Industrie et technologies, no 884, décembre 2006.

Le laser, un mode d'usinage encore peu présent dans l'industrie du bois. CTBA INFO No 113 ¿ octobre 2006.

Les lasers de découpe. http://www.delporte.org/travaux/decoupe.htm

Micro-usinage du bois par impulsions laser ultracourtes. http://www.site-en-bois.net/fr/car/dos/laser.phtml

La technologie laser : démarche d'intégration au sein d'un processus de fabrication d'une PME.
http://storage.canalblog.com/27/33/209748/12819068.pdf

Fibre lasers allow flexible, precise operation. http://www.engineeringnews.co.za/article.php?a_id=110816

Article mis en ligne le 17 août 2007