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La technologie laser connaît, depuis ces vingt dernières années, un
développement en recherche appliquée considérable. Il n’est pas
étonnant de constater que de plus en plus d’entreprises, qui sont à
la recherche de gains de productivité, placent cette technologie au
cœur de leur stratégie. L’utilisation du laser devient pour
certaines applications un allié de premier choix.
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 et 6 % en 2006 et 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), 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 bases Nickel), mais aussi des matériaux
non-conducteurs tels que les céramiques, les plastiques et les
polymères.
- la découpe des matériaux 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 nœuds et
la densité du bois constituent également des problématiques 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 œuvre dans les applications
où la brûlure d’usinage n’est pas contraignante. Le laser permet
la réalisation dans des pièces minces de marquages ou d’usinages
aux formes très complexes qui seraient impossibles à réaliser avec
les technologies conventionnelles.
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 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, est apparu sur le marché, un autre type de
machine de découpe au laser YAG continu; celui-ci 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 :
Transfert d’information sur la technologie, l’évaluation de la
pertinence du procédé pour votre entreprise, la 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.
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 et
- le développement de systèmes d'usinage sur mesure.
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 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
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