L'évolution du traitement laser 3D

En ce qui concerne le traitement laser 3D, l'industrie aérospatiale se démarque comme un utilisateur majeur de la technologie. Dans cette application, un laser perce des trous de refroidissement dans une aube de turbomachine. Images : Prima Power Laserdyne

Quelle est la première pensée qui vient à l'esprit d'un fabricant de métaux lorsque l'expression "machine de traitement laser multiprocessus" est prononcée dans une conversation ? Plus que probablement, il s'agira d'une machine combinée de découpe laser et de poinçonnage.

Certains vétérans de l'industrie se souviendront peut-être même de la première machine "combinée" qui a fait ses débuts au Salon international des technologies de fabrication, alors connu sous le nom de Salon international de la machine-outil, il y a plus de 40 ans. Strippit a placé un laser CO2 sur une poinçonneuse à tourelle, et cela s'est avéré être un succès, à tel point que la technologie de découpe au laser est le moyen dominant de produire des ébauches dans la majorité des ateliers.

Pour certains fabricants de métaux de haute précision, cependant, un laser multiprocessus prend une autre signification. Pour eux, les origines de ce type de machine-outil de procédé laser remontent à quelques années après le lancement de la première machine combinée laser CO2/poinçonneuse à tourelle. Certains ingénieurs du Minnesota ont développé une machine où un faisceau laser CO2 focalisé pouvant se déplacer sur trois axes pouvait être utilisé pour la découpe et le soudage. Ce n'était pas un cas où le laser était stationnaire et la table, avec la feuille de métal attachée, se déplaçait sous le laser. Dans ce cas, la pièce était immobile et le faisceau lui a été délivré.

Ces machines laser 3D ont trouvé les premiers fans. Harley-Davidson les a utilisés pour tailler des pièces embouties. Ensuite, une machine de traitement au laser capable de se déplacer le long des axes C et D a été développée pour Xerox, qui recherchait un appareil pour percer et couper des cadres d'ordinateurs soudés.

« À l'époque, c'était considéré comme un usinage non conventionnel », a déclaré Mark Barry, un employé chevronné de Prima Power Laserdyne, un fabricant de machines de traitement laser 3D. "Les gens ne savaient pas grand-chose sur les lasers. Il y avait beaucoup de scepticisme."

Ce scepticisme à propos des lasers n'existe certainement plus aujourd'hui. Une grande partie de cela a été rendue possible par la technologie laser CO2, qui a été le cheval de bataille de nombreuses entreprises de fabrication de métaux au fil des ans.

Cela a commencé à changer, cependant, avec le développement de la technologie laser à fibre. Au lieu d'avoir besoin d'un grand résonateur avec des miroirs et des gaz pour créer le laser, comme c'est le cas avec la technologie CO2, un laser à fibre est créé à l'intérieur et délivré par des câbles à fibre optique.

La technologie laser à fibre présente de nombreux avantages par rapport au laser CO2. Le laser à fibre a une longueur d'onde plus courte (1,06 microns) que le laser CO2 (10,6 microns), ce qui signifie que le laser à fibre a démontré de meilleures caractéristiques d'absorption ; cela se traduit par des vitesses de coupe plus élevées et la capacité de couper des matériaux réfléchissants tels que le cuivre, le laiton et l'aluminium beaucoup mieux et en toute sécurité. Le faisceau focalisé d'un laser à fibre présente également une densité de puissance supérieure à celle d'un laser CO2 de puissance similaire ; une plus grande densité de puissance du faisceau laser signifie que le métal peut être amené plus rapidement à l'état fondu, ce qui permet une coupe plus rapide. Un laser à fibre est également beaucoup plus économe en énergie et nécessite moins d'entretien qu'un laser CO2.

C'est tout un résumé, et il n'est pas étonnant que le laser à fibre soit désormais la technologie prédominante en matière de découpe, tant dans le monde 2D que 3D.

"Auparavant, vous allumiez une machine de découpe laser et vous attendiez environ 15 minutes jusqu'à ce qu'elle se réchauffe", a déclaré Barry. "Alors vous pourriez commencer le traitement.

Avec un dévidoir et une dispersion optimale d'un gaz de protection, un laser peut être utilisé pour souder divers matériaux réactifs, comme ce composant aérospatial en titane bombé.

"Approchez-vous d'un laser à fibre aujourd'hui et vous pourrez l'allumer et commencer le traitement immédiatement. Vous aurez les mêmes caractéristiques de faisceau et la même qualité que lorsque vous avez éteint la machine la veille."

La particularité de la technologie laser à fibre au milieu des années 1990 était qu'il s'agissait d'une technologie à onde continue. À l'époque, ce n'était pas adapté à ce qui émergeait comme l'une des principales applications du traitement laser 3D : le perçage.

Barry a déclaré que Laserdyne a trouvé une clientèle en plein essor avec sa technologie de traitement 3D lorsqu'elle a commencé à travailler avec des fabricants de l'industrie aérospatiale. La possibilité de créer des centaines de trous dans différents matériaux en quelques minutes et sous différents angles était quelque chose que les centres de fraisage et les machines EDM ne pouvaient pas reproduire.

Mais ces activités de forage laser n'étaient pas soutenues par la technologie laser CO2. Barry a déclaré que la puissance de crête, la qualité du faisceau et la forme du faisceau générés par un laser CO2 ne peuvent pas être suffisamment contrôlées pour exploser et créer des trous de qualité. "Cela laisse beaucoup d'éclaboussures et ce n'est pas un processus éloquent", a-t-il déclaré.

Le laser Nd:YAG a changé tout cela. Les atomes d'un grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme sont excités par une lampe flash pour générer ce type de laser. Il a une longueur d'onde de 1,06 microns et a été capable de fournir des pointes de puissance nécessaires au processus de perçage au laser. "Cela a fondamentalement changé le jeu", a déclaré Barry.

Dans le scénario le plus simple du perçage laser, une seule impulsion laser à puissance de crête est utilisée pour faire fondre et vaporiser le métal, laissant un trou bien défini. Cela peut être fait à plusieurs reprises, créant des trous de tailles cohérentes sur un objet 3D. Dans d'autres cas de perçage au laser, un trou est créé à l'aide de plusieurs impulsions laser de courte durée et à faible énergie. Cette approche est plus adaptée aux applications nécessitant des trous plus précis ou de plus petit diamètre.

Pour les trous plus grands, une trépanation est effectuée, un peu comme dans un centre de fraisage. Le trou pilote est créé avec des picots laser consécutifs, puis la taille du trou est agrandie avec le laser pulsant selon un motif circulaire. Le matériau fondu tombe à travers le trou de plus en plus grand.

Barry a déclaré que ce type de forage peut produire rapidement des trous de 0,005 à 0,035 po de diamètre. Il a ajouté que les entreprises aérospatiales l'aimaient vraiment parce que le laser pouvait forer non seulement à 90 degrés par rapport à la surface, mais aussi jusqu'à 20 degrés. Cela a rendu la production de composants utilisés pour refroidir les moteurs à réaction beaucoup plus efficace. (Les moteurs à réaction commerciaux peuvent atteindre des températures de plus de 3 000 degrés F lorsqu'ils sont en fonctionnement. Les systèmes de refroidissement font partie intégrante du fonctionnement de ces moteurs.)

Les lasers Nd:YAG se sont avérés être un outil de forage très redoutable. La seule véritable technologie concurrente était l'usinage par décharge électrique, qui utilise l'énergie thermique pour enlever le métal, mais il est extrêmement lent par rapport au laser.

Puis la technologie de la fibre est arrivée au milieu des années 1990, et Barry a déclaré que ses collègues de Laserdyne se sentaient obligés de jeter un coup d'œil à ce nouveau type de laser. Le Nd:YAG était meilleur que le CO2 lorsqu'il s'agissait de fournir des impulsions de puissance de pointe, mais il n'impulsait pas très rapidement. Le CO2, bien sûr, restait le premier choix pour la découpe car il pouvait être utilisé en mode onde continue. Peut-être que la technologie laser à fibre pourrait améliorer ces performances.

Les machines de traitement au laser d'aujourd'hui peuvent s'adapter au perçage de trous à des angles très faibles par rapport à la surface.

L'équipe Laserdyne a contacté IPG, l'un des premiers fournisseurs commerciaux de sources d'alimentation laser à fibre en Amérique du Nord, qui à son tour a prêté aux "geeks du laser", comme Barry l'a décrit, lui et ses collègues, un laser à fibre à onde continue de 20 kW.

"C'est comme ça que nous avons commencé", se souvient Barry. "Nous l'avons pris en charge pendant un an et, grâce à la puissance du laser à fibre de 20 kW, nous avons pu effectuer presque tous les perçages que nous pouvions faire avec le laser Nd:YAG."

Il y avait un problème, cependant. Un laser à fibre à onde continue de 20 kW n'était pas un ajout rentable à une machine-outil de traitement au laser. Pour que cette technologie soit adoptée par la communauté de la fabrication de métaux, elle devait être plus abordable.

L'équipe Laserdyne est retournée voir le président d'IPG, le scientifique fondateur et le plus haut responsable et a expliqué son dilemme. En notant leurs réflexions sur une serviette en papier, les experts en laser ont imaginé ce qui allait devenir le laser à fibre à onde quasi continue (QCW) haute puissance.

Quasi est un bon choix pour décrire ce type de laser car il conserve certaines des caractéristiques du laser à fibre à onde continue. La grande différence est que ce type de laser a une longueur d'onde favorable et est capable de fournir des impulsions de puissance de crête, ce qui le rend adapté au perçage laser. Ceci est accompli par des modifications de l'alimentation électrique et un nombre accru de diodes de pompe qui sont épissées dans la fibre active.

Ce laser à fibre QCW a donné à Laserdyne la flexibilité dont il avait besoin dans une source d'alimentation. Avec 20 kW de puissance de crête et une puissance moyenne de 2 kW à sa disposition, une machine de traitement laser 3D pourrait percer des trous avec une puissance de crête et pourrait couper des matériaux minces et souder de manière agressive avec une puissance moyenne.

"Ce fut un changement majeur pour notre industrie", a déclaré Barry.

À ce jour, Prima Power Laserdyne utilise le laser QCW dans ses machines de traitement laser 3D. Une grande majorité d'entre eux sont utilisés dans la fabrication de composants pour les systèmes de refroidissement des moteurs à turbine, dont certains peuvent devenir très volumineux.

Par exemple, une tuyère de fusée peut mesurer environ 8 pieds de diamètre et 6 pieds de hauteur. Une machine de traitement laser 3D avec huit axes de mouvement - cinq axes de mouvement de faisceau, deux axes de mouvement de table rotative et un axe de mouvement de table navette - est nécessaire pour s'attaquer à quelque chose d'aussi grand.

"Les clients savent qu'avec ce type de capacité, ils peuvent aller chercher du travail", a déclaré Barry.

Les machines de traitement laser 3D ont évolué pour s'adapter à plusieurs processus et offrent des systèmes de mouvement de faisceau qui n'existaient pas lorsque les premiers systèmes CO2 à 5 axes sont arrivés sur le marché.

Les entreprises utilisent toujours ces systèmes 3D pour la découpe de pièces embouties et pour le perçage au laser de pièces aérospatiales, mais les applications de soudage sont sous-représentées lorsque l'on examine les applications potentielles dans l'ensemble du spectre de fabrication, a déclaré Barry. Il a qualifié le soudage au laser de "probablement le dernier bastion de la production manufacturière non standard".

La densité de puissance du faisceau laser crée un bain de soudure étroit et pénètre profondément dans le matériau. Cela laisse un cordon de soudure propre qui ne nécessite souvent aucune finition post-soudure. Le processus se prête également à être effectué rapidement et avec précision en un seul passage.

De plus, le soudage au laser crée une zone limitée affectée par la chaleur (HAZ) autour du joint. (C'était l'une des raisons pour lesquelles la technologie a été utilisée pour souder les ensembles d'airbags de véhicules, qui contenaient en fait un détonateur au moment de déployer l'airbag.) La HAZ limitée réduit la distorsion et les contraintes résiduelles dans le métal.

Le soudage au laser est mieux réalisé avec des ajustements serrés. Cela peut nécessiter l'utilisation d'une technologie de presse plieuse moderne pour fournir des plis constants et à haute tolérance d'une pièce à l'autre. Le fil d'apport peut être utilisé avec le soudage au laser pour compenser un ajustement médiocre et incohérent.

L'avènement du laser à fibre a en fait contribué à améliorer le soudage au laser. Lorsque le soudage au laser était effectué avec un laser CO2, le processus créait du plasma, ce qui contribuait à réduire la pénétration de la soudure. Divers types de gaz de protection ont été utilisés pour réduire la formation de plasma, mais les risques étaient toujours là. Le laser à fibre ne souffre généralement pas de formation de plasma. (Lors du soudage de sections épaisses à des vitesses de soudage lentes, un nuage de gaz peut se former au-dessus de la soudure et menacer la qualité du joint, mais l'utilisation de gaz de protection peut aider à minimiser cela.)

Dominic Louwagie, chef de produit, Prima Power Laserdyne, a ajouté que les commandes avancées ont aidé les machines de traitement laser 3D à être plus conviviales que les générations précédentes. La commande coordonne la puissance du laser et les débits des gaz de couverture et des gaz auxiliaires pour l'application de traitement.

"La seule chose que l'opérateur doit faire est de changer physiquement la buse, qui est optimisée pour le débit et la pression du gaz", a déclaré Louwagie. Un changement complet, nécessaire lors du passage de la découpe laser au soudage, s'effectue en moins de deux minutes. (Le perçage laser et la découpe laser utilisent souvent le même type de buse.)

Le traitement au laser a parcouru un long chemin au cours des 30 dernières années. Les machines-outils sont conçues pour les lasers, pas simplement collées sur une poinçonneuse à tourelle. Les lasers ont évolué au point de pouvoir fournir des résultats de découpe, de perçage et de soudage difficiles à égaler pour d'autres technologies en termes de qualité et de productivité. L'industrie est également devenue beaucoup plus intelligente en ce qui concerne l'utilisation de ces lasers.

"Il y a trente ans, quand les gens venaient nous voir et nous disaient : 'Pouvez-vous faire cela avec un laser ?' souvent, nous ne savions pas. Nous devions demander des échantillons, et nous creusions pour savoir si nous pouvions réaliser ce qu'ils voulaient vraiment accomplir. Ce serait une découverte pour nous deux », a déclaré Barry.

"Aujourd'hui, nous savons ce que nous pouvons faire en termes de traitement des matériaux. Il ne nous reste plus qu'à décider s'il s'agit d'une application pratique ou non."

La prochaine étape est pour les fabricants de métaux. Le traitement laser 3D peut-il les aider à faire un meilleur travail qu'il ne le fait actuellement sans l'aide de lasers ?

La découpe des métaux a été l'une des premières utilisations de la technologie laser CO2 lorsqu'elle a fait ses débuts lors d'un salon professionnel il y a 40 ans. Aujourd'hui, la technologie laser à fibre est utilisée pour la découpe de métaux dans des applications 2D et 3D.