LA TEXTURATION AU LASER DEVIENT COMMERCIALEMENT PLUS INTERESSANTE

L’émergence de lasers à impulsions ultra-courtes crée de nouvelles opportunités

La texturation au laser n’est pas une technique nouvelle. La pose de structures à l’aide d’un laser avait déjà été présentée à l’EMO de Hanovre il y a quelques années, mais la technologie en était encore à ses balbutiements. Depuis, des pas de géant ont été faits dans le domaine de la microélectronique et de l’optique. Pour la productivité, cela fait un monde de différences. L’émergence récente de lasers à impulsions ultra-courtes a accéléré le mouvement. A un point tel que Sirris estime qu’il est temps d’ouvrir la voie et de rechercher des applications intéressantes pour les entreprises belges qui souhaitent prendre les devants.

Kevin Vercauteren - 26 novembre 2018

SOYONS CLAIRS …

Dans le cas d’ablation, on utilise le laser de ma­nière très ciblée et précise pour enlever une quantité minime de matière, comme une opé­ration de fraisage, tandis que la tex­turation au laser signifie l’application d’une struc­ture fonctionnelle sur la surface d’un matériau pour le rendre p.ex. hydrofuge. Ici aussi, il faut enlever de la matière. En d’autres ter­mes, les deux techniques ont beaucoup de cho­ses en commun, seul le but diffère. Dans l’ar­ticle, nous nous focalisons sur la texturation au laser.

FONCTIONNALITES POSSIBLES

Voici un aperçu (loin d’être exhaustif) de quelques applications courantes qui donnent une idée de ce que l’on peut réaliser avec la structuration:

• surfaces superhydrophobes: effet autonettoyant, antigel, anti-biofilm;
• effets haptiques: touche douce, meilleure (micro)prise;
• fonctionnalités tribologiques: coefficient de frottement plus ou moins élevé, effet coller-glisser;
• fonctionnalités aérohydrodynamiques: meilleur écoulement;
• fonctionnalités optiques: effets de diffraction, microlentillage;
• fonctionnalités thermiques: augmentation d’une surface spécifique (pour par exemple améliorer le refroidissement);
• effets esthétiques: brillant, noir optique ...

MERCI A LA NATURE

En gros, il y a trois manières d’agir sur la fonctionnalité d’un composant. La manière la plus évidente consiste à choisir un matériau spécifique ou à ajouter des substances qui modifient les propriétés du matériau. En effet, chaque matériau a sa propre résistance à la traction, à la compression, à la flexion, une rigidité, une dureté, une élasticité … et nous n’abordons ici que les caractéristiques mécaniques. A côté de cela, il y a la résistance à la corrosion, la rugosité et la conductivité thermique, pour ne citer que cela. Une seconde manière d’influencer la fonctionnalité consiste à utiliser des revêtements. Il existe sur le marché de nombreux types de coatings permettant d’augmenter la dureté, d’améliorer la résistance à la corrosion, mais aussi de modifier visuellement le matériau, de le rendre hydrofuge, etc.

Enfin, on peut copier la nature car on y trouve de nombreux exemples de structures de surfaces fonctionnelles. Un exemple connu est la feuille de lotus. Les structures papillaires à la surface de la feuille modifient l’angle de contact avec l’eau, rendant la feuille hydrofuge. Un autre exemple concerne les modèles de cavité qui ont une influence sur le coefficient de frottement. La technologie actuelle nous permet de reproduire ces subtilités évolutionnaires et d’adapter la structure d’un composant au niveau du micro, pour donner une valeur ajoutée à la pièce. Par rapport aux coatings, par exemple, on peut obtenir une fonctionnalité sensiblement supérieure avec la texturation. De plus, les textures s’usent moins facilement. Et si un élément se brise, aucun corps étranger n’est libéré dans l’environnement, ce qui est important dans les secteurs pharmaceutique et alimentaire.

LA TECHNOLOGIE A LA COTE

La texturation au laser n’est bien entendu pas la seule technologie qui permet d’appliquer une structure fonctionnelle. Il y a par exemple aussi l’ébauchage par le sablage, l’électro­érosion pour obtenir un effet dans une application de moulage par injection, le microfraisage … et la technologie la plus précise: la lithographie. Mais la lithographie s’avère complexe, coûteuse et lente. A l’inverse, le sablage est peu précis et plutôt aléatoire. Pour le microfraisage, il faut disposer d’un outil mais il s’use. Si on rassemble les points positifs et négatifs de ces technologies concurrentes, on se rend compte que la texturation au laser, qui n’utilise pas d’outils et où aucune force mécanique n’est exercée sur la pièce à usiner, s’en sort sans doute le mieux. Surtout maintenant que la technologie a été sérieusement améliorée.

Beaucoup plus de puissance

La texturation au laser existe depuis un certain temps et n’est donc pas une technique neuve. Mais il y a 5 à 10 ans, elle n’en était pas là où elle est aujourd’hui. On parlait de quelques milliwatts alors qu’on atteint aujourd’hui des dizaines de watts, voire plus. 1 kW est la puissance la plus élevée commercialisable aujourd’hui, qui permet de faire énormément de choses au niveau de la productivité. Prenons la vitesse. Si vous travaillez avec un laser d’une puissance de 10 W et que vous voulez par exemple augmenter le coefficient de frottement, vous obtiendrez environ 2 minutes/cm². Si vous disposez d’un laser de 100 W, vous pourrez quasiment multiplier la vitesse par 10. Et dans l’avenir, ce processus va s’accélérer. A la dernière édition du salon AKL à Aix-la-Chapelle en Allemagne, la German Photonic Initiative a ainsi été officiellement présentée. Via l’utilisation d’un laser femtoseconde, on aspire à augmenter d’ici quelques années les puissances de 10 à 100 W jusqu’à 10 à 20 kW.

Des impulsions plus courtes

Nous venons d’y faire référence: le laser femtoseconde. Il s’agit d’un laser à impulsions ultra-courtes qui connaît une forte percée, certainement dans la texturation au laser. Il y a de bonnes raisons à cela. Pour commencer, l’évolution vers des puissances toujours plus importantes se poursuit aussi avec le laser femtoseconde, comme en témoignent les objectifs que nous avons énumérés. C’est une condition importante car les avantages des impulsions ultra-courtes – 1 femtoseconde équivaut à 10-15 d’ une seconde – sont indiscutables: suite à la durée d’impulsion courte, la chaleur n’a pas le temps de se déplacer à travers le matériau. Là où des lasers micro­seconde et nanoseconde fondent le matériau et l’évaporent, le laser femtoseconde ignore ces phases et le matériau devient immédiatement plasma. Voilà pourquoi on parle d’usinage laser à froid dans le cas du laser femto­seconde. Tous les problèmes qui surgissent suite à l’apport de chaleur sont ainsi évités. Nous pensons concrètement aux microfissures, aux zones de fusion, aux rugosités de surface plus importantes et au matériau résiduel sur le matériau.

Machines

En même temps que la technologie des lasers, les machines stand alone ont été améliorées, éventuellement avec un chargement robotisé. Les machines laser à cinq axes sont déjà couramment disponibles. De plus, le logiciel suit la même évolution que pour les machines de fraisage, ce qui veut dire que de nombreuses connaissances sont embarquées dans la commande. Dans les grandes lignes, on peut limiter la programmation au dessin de ce que vous voulez faire et à l’introduction des paramètres du laser. Ensuite, la commande prend la relève, bien qu’il soit possible, via les codes G, de programmer les mouvements de vos (cinq) axes. Les principaux paramètres du laser sont la puissance, la fréquence et la vitesse du miroir. A côté de cela, la densité (le nombre de points au cm²) a son importance. En ce qui concerne les dimensions de la pièce, il faut penser à la plate-forme de construction moyenne d’une machine SLM, environ 500 sur 300 sur 200 mm, bien que l’on puisse assembler sa machine soi-même. Les sources laser et les scanners sont en vente libre. Reste à les combiner à des axes linéaires physiques. Vous pourrez alors usi­ner des pièces plus importantes. Une machine laser est très flexible: avec la même tête de laser, il est possible de réaliser une ablation ainsi que la texturation. Le nettoyage du laser doit être ajouté à la liste. Et si vous remplacez la tête par un laser nanoseconde, vous pourrez alors polir au laser. Ces configurations hybrides sont déjà disponibles.

L’AVENIR

 En résumé, on peut affirmer qu’avec l’avènement des lasers femtosecondes, les possibilités de la texturation au laser ont considérablement augmenté, ce qui rend la technologie plus intéressante, non seulement pour les laboratoires et les centres de recherche, mais aussi pour les entreprises de production qui veulent faire plus que de la gravure de logos. Pour le moment, la texturation au laser est utilisée typiquement dans certains segments comme le secteur de la bijouterie, des montres et les instruments scientifiques. Mais cela pourrait bientôt changer. Des entreprises de l’industrie automobile et de l’aérospatiale sont en train d’étudier les opportunités. Simultanément, les organismes de recherche et les grandes organisations – pensez à la German Photonic Initiative – poursuivent le développement de la technologie. Dans le pipeline, il y a des machines à 8 axes simultanés, des lasers ns et ps combinés, permettant d’ablater une ébauche et de la parachever, des systèmes qui scindent le faisceau laser et qui, à travers un masque, peuvent usiner une surface bien plus grande en une passe … bref, tout va très vite aujourd’hui et les applications pour la production de masse sont (presque) là.

Met dank aan dr. Olivier Malek (Sirris) en Lasea