Journées de la Photonique et de l'Optique Modernes Lannion - 15/03/06 1
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5 rue de Louis De Broglie, 22300 Lannion
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Utilisation de sources lasers fibréespour le micro usinage laser
Patrick Even
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Sommaire
• Les lasers industriels
• La terminologie
• Les principaux paramètres d’un faisceau laser
• Le transport du faisceau
• L’interaction laser – matière
• Laser fibré et à fibre
• Les applications
• Comparaison de différents lasers
• Références
• Conclusion
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Le laser industriel : quelques chiffres
- Lasers industriels (1.47 Milliards de $) (principalement CO2 etYAG pompé par lampes)
- Diode laser de puissance : 110 M€
- Laser à fibre : 100 M€
Amérique du nord 46 % Europe
33 %
Asie 21 %
Allemagne70 %
Répartition mondiale
Répartitioneuropéenne
Autres 30 %
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Autres9%
Perçage3%
Gravure12%
Micro usinage14% Soudage
14%
Marquage24%
Découpe24%
Le laser industriel : applications
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Le laser industriel : évolution
1970 2006
• CO2 @10,6 µm
• YAG-Nd (pompé par lampe) @ 1,06 µm
• YAG-Nd (pompé par diode) @1,06 µm• Diode laser @ 0,8-,9 µm
• Laser à eximère @ 0,15-0,4 µm
• Laser à fibre @ 1 µm• Laser à disque @ 1µm
• Laser fentoseconde
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Les lasers industriels : principe
Source de pompage
Milieu actif du laser
Miroir réfléchissantà 100% Miroir de sortie
Rayon laser de sortie
Groupe de refroidissement
Introduction d’énergie
Évacuation d’énergie
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Les lasers industriels : comparatif
Milieu ActifLongeur
d'onde en µmRefroidissement Mode
Energie ou puissance maximale
Qualité de faiseau
Coût
20 kW + -45 kW 0 - 2,5 kW + -
1,06 5 kW + 0
2 kW en pulsé + 0
Excitation par lampe flash
eau Pulsé 0 +
pompage par diode
eau CW / Pulsé 0 ++
0,1570,1930,2480,3080,351
Diode 0,9 air / eau CW 2 kW - +Laser à fibre 1,09 air CW / Pulsé 4 kW + +Fibre double-gaine dopée
CW /pulsé
Nd-YAG
Eximere
CW
Pulsé 2 J + +
Empilage d'élement SC
Barreau parallélèpipédique
Barreau cylindrique eau
150 J
Technologie
Flux axial rapideFlux transverse
SLABair, eau huileCO2 10,6
Flux transverse circulation de gaz
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La terminologie : mode CW ou pulsé
Puissance émise en Watts
Temps
Puissance émise en Watts
TempsT
tp
t
Pc
Pm
Qi
Régime continu Régime pulsé
Pm
Pm : puissance moyenne (W)Pc : puissance crête (W)Qi : Énergie d’impulsion (J)t : durée d’impulsion (s)tp : période du signal (s)T : durée du train d’impulsion (s)F : fréquence de répétition des impulsions
Qi=Pc x t
Pm=Qi x F
Pm=Pc x t x F
Ne pas confondre pulsé et modulé
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La terminologie : modulation
Puissance émise en Watts
Temps
Puissance émise en Watts
TempsT
Pc
Régime continu modulé Régime pulsé modulé
TonTon
T off
T off
Rapport cyclique : Ton / (Ton+Toff)
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Les principaux paramètres d’un faisceau laser :
• La longueur d’onde
• La divergence du faisceau
• Le mode transverse
• Facteur de qualité
• La focalisation
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La longueur d’onde:
La longueur d’onde est importante car l’absorption varie selon les matériaux (phénomène thermique)
Pour les lasers UV ou fentoseconde l’interaction est du type photo-ablation
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La divergence du faisceau :
θ/2
θ/2
d
La divergence pour les lasers industriels est typique de 1 à 3 mrad
d.
.4
πλ
θ =
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La mode transverse : monomode
Le mode transverse correspond à la répartition de l’intensité dans une section transversale du faisceau
Un faisceau laser de qualité optique parfaite aura une répartition dite TEM00.
Cette répartition, souvent appelée Gaussienne est le mode idéal pour la découpe.
TEM00M² = 1
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La mode transverse : multimode
Fibre 200 µm
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 50 100 150 200 250 300 350
déplacement (µm)
Intensité (u.a)
fibre sans brouillage
fibre avec brouillage
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Facteur de qualité M² :
L’utilisation de ce facteur permet de comparer les faisceaux de machine industriel, et surtout de calculer un diamètre de tache focale, fonction des caractéristiques du faisceau.
La détermination du coefficient M² est donné par la relation :
λπ
θ.4
.. 02 D
M =
Θ: angle de divergence du faisceau (champ lointain)
D0 : diamètre du faisceau naturel au « waist »
λ : longueur d’onde
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Beam Parameter Product « BPP » :
Le BPP est défini par le produit du rayon du faisceau au waist par la divergence en champ lointain.
L’unité la plus courant est millimètre . milliradian (mm.mrad).
Pour un laser à 1064 nm, le BPP minimum est de 0,339 mm.mrad
λπ
.2BPPM =
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La focalisation :
D
f
z
Dtf
.D
f..4Dtf
πλ
=
−=D
f.2.1.
2.Z 2ρ
πλ
Z : profondeur de champDtf : diamètre théorique de la tache focaleD : diamètre du faisceau avant focalisation
f : distance du point focaleΛ : longueur d’ondeΡ: facteur de tolérance
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La focalisation :
En utilisant le facteur M², il devient possible d’approcher le diamètre réel du point de focalisation.
.D
f..4.2
πλ
Md =
Bonne qualité de faisceau = petite tache focale, grande densité de puissance
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La focalisation – fibre optique :
cdΦ=Φ .
f
f
c
Фd : diamètre du point de focalisationf : distance focal de la lentille de focalisationФc : diamètre du cœur de la fibrefc : distance focale de la lentille de collimation
Fibre optique
Lentille de collimationLentille de focalisation
Tache focale
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Le transport et mise en forme du faisceau :
Laser Puissance transport Mise en formeCO2 <1,5 kW optique libre lentilleCO2 > 1,5 kW optique libre miroirYAG NA optique libre / fibre lentilleDiode NA optique libre / fibre lentille
Laser à fibre NA fibre lentille
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Interaction laser – matière (1) :
La plupart des applications (hors laser eximère et fentoseconde) sont basées sur le principe de l’interaction laser-matière de type thermique.Cette interaction peut faire intervenir trois processus :
•L’absorption : le faisceau laser est partiellement absorbé par le matériau dans son état initial (température, état de surface), et par le matériau décomposé et vaporisé.
• le transfert de chaleur : l’apport calorifique fourni par le faisceau est distribué dans le matériau suivant les lois de la conduction de la chaleur.
•L’évacuation de la matière : elle a lieu pour le matériau fondu et vaporisé et est provoqué par l’apport de gaz d’assistance et par les ondes de choc dues au plasma d’intéraction.
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Interaction laser – matière (2) :
Échauffement Fusion Vaporisation et Création du capillaire
Profil de températureÀ la surface de la pièce
Température de fusion
Température de vaporisation
faisceauZone échauffée
Bain de fusion capillaire
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Interaction laser – matière (3) :
Le laser eximère, grâce à une longueur d’onde beaucoup plus faible agit par un phénomène de photo ablation, principalement utilisé pour le micro-usinage des polymère.
La photo ablation se décompose en trois étapes:
• L’absorption, l’énergie incidente est absorbée très localement par les couches superficielles du matériau.
• La cassure des liaisons chimiques (moléculaires)
• La désorption des produits, les fragments de matériaux ainsi arrachés sont éjectés.
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Laser fibré et à fibre (1) :
Les lasers YAG fibrés
Module de pompage
Module de pompage
Module de pompage
Système optique d’injectiondans la fibre
pièce
Fibre optiqueMiroir de renvoi
puits thermique
obturateur
miroir avantmiroir arrière
Faisceau laser
tête de focalisation
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Laser fibré et à fibre (2) :
Les diodes fibrés
Barrette de diode
Laser Laseo
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Laser à diode (mono-émetteur) Surface active
Fibre
Laser à diode (mono-émetteur) Surface active
Fibre
Barrette de diodesBarrette de diodes
Laser fibré et à fibre (3) :
Les diodes fibrés
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Laser fibré et à fibre (4) :
Les diodes fibrés
Plan parallèle aux diodes
Plan perpendiculaire aux diodes
Lentille cylindrique
Lentille de focalisation
microlentilles
Micro-optique
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Laser fibré et à fibre (5) :
Les lasers à fibres
Miroir de sortie
Miroir hautement
réfléchissant
Att
20 dB
Sortie
Fibre double gaine
Photodiode face avant
Pompe multimode
Coupleur
Laser Keopsys
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Laser fibré et à fibre (6) :
Les lasers fentoseconde
Certains types de laser fentoseconde utilise comme milieu amplificateur et / ou dispersif des fibres optique.
Cependant, la sortie est en optique libre.
Laser Amplitude Système
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Les applications :
Les applications industrielles les plus courantes :
• Le perçage• La découpe• Le marquage, la gravure• Le soudage
Les applications spécifiques ou de laboratoires :
• L’usinage sans outil de coupe• L’usinage assisté par laser• Le nettoyage et la préparation de surface• Le micro usinage
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Les applications - les paramètres importants (1):
Faisceau :
• Puissance ou intensité• Longueur d’onde• Mode CW ou pulsé (puissance crête, durée d’impulsion, fréquence)• Diamètre du faisceau (qualité de faisceau)
L’optique de focalisation :
• Focale• Matière• Diamètre de la tache focale• Profondeur de champ
Matériau :
• Réflectivité• État de surface• Diffusivité thermique• Masse volumique• Température de fusion• Température de vaporisation• Vitesse de déplacementGaz d’assistance (soudure) :
• Nature• Pression• Débit
Le transport du faisceau :
• Fibre (robotisation 3D)• Optique libre
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Les applications - les paramètres importants (2):
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Exemple d’application (1): marquage
masque
miroir
lentillelentille
Miroir galvanométrique
Marquage par transfert d’image Marquage par déplacement du faisceau
Lasers les plus utilisés : CO2, YAG et de plus en plus laser à fibre pulsé
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Exemple d’application (2): marquage
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Exemple d’application (3): soudure
Pièces à assembler
Bain de fusion amont
Bain de fusion aval
Capillaire rempli de vapeur métalliques
Faisceau laser
Sens de soudage
Zone affectéethermiquement
Métal fonduresolidifié
La réalisation d’une soudure repose sur le phénomène de fusion localisée de la matière au point d’impact du faisceau, comme lors d’une opération de découpe, à l’exception du bain de fusion qui n’est plus chassé mais entretenu.
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Exemple d’application (4): soudure+robot
Idéal pour un laser fibré ou à fibre
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Exemple d’application (4): traitement de surface
Faisceau laser impulsionnel
Gaz de protection de L’optique
lentille
Substrat transparent
Couche à évacuerParticules projetées
Création d’un plasma et d’une onde de choc
L'homogénéité du faisceau :
L'homogénéité de nettoyage est directement liée à la répartition de l'énergie lumineuse dans le faisceau. Un faisceau laser est généralement en forme de cloche dite "Gaussienne" avec beaucoup plus de densité d'énergie au centre que sur les bords. L'utilisation d'une fibre optique permet d'obtenir un faisceau de profil plat, dont toute l'énergie sera utilisée de façon optimale et homogène.
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Exemple d’application (5): nettoyage
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Exemple d’application (6): usinage assisté par ordinateur
Matière à usiner(céramique,métal,…)
Faisceau laser
outil de découpe
Intégration facilité par une propagation dans une fibre (CN)
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Exemple d’application (7): micro usinage par laser fentoseconde
Impulsions brèves : Absence d’effets thermiques
Haute intensité : Usinage sur tout type de matériau
Laser nanoseconde Laser femtoseconde
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Structures complexes sur métaux, céramiques,…
Usinage athermique
Marquage interne
Exemple d’application (8): micro usinage par laser fentoseconde
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Point focal
Substrat
Laser
Substrat
Laser
Seuil d'ablation
I
Seuil d'ablationI
1 mm 1 mm
Exemple d’application (9): micro usinage par laser fentoseconde
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Exemple d’application (10): prototypage rapide - stéréolithographie
1 Polymérisation de résine "Stéréolithographie" 2 Dépôt de fil en fusion - FMD3 Lamination - LOM 4 Stratoconception5 Frittage de poudre6 Impression 3D7 Injection de cire8 Impression 3D métallique9 Enlèvement de matière
Exemple de réalisation
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Exemple d’application (11): soudage de plastique
parfaitement aux lasers à diode
Plastique transparent
Plastique absorbant
Laser IR
Zone de chauffe
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Exemple d’application (12): soudage de plastique
Avantage des diodes laser :
• Pas de contact, rapide, flexible, sans vibration• Toutes forme de contour ou surface• Facilement automatisable• Process rapide et stable• Peu de stress mécanique et thermique• Contrôle de zone de plastique fondu
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Exemple d’application (13): soudage de plastique
Soudure d’une grande zone
Soudure de contour
Soudure multipoint
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Comparaison lasers CO2 et lasers à fibre
• Un laser à fibre de longueur d’onde de 1,1 µm, par rapport à un laser CO2 de longueur d’onde de 10,6µm, permet d’atteindre une tache focale de 15-20 µm comparé à 150-200 µm pour un laser CO2.
• Le transport du faisceau par fibre optique est impossible pour un laser CO2.
• Le rendement électrique/optique d’un laser à fibre est d’environ 25%, comparé à 5% pour un laser CO2 .
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Comparaison lasers YAG et lasers à fibre
Environ 70 % d’efficacité de conversion pour un laser à fibre, et environ 20% pour un laser YAG DSPP :
• thermiquement plus facile à refroidir• coût de revient moindre
La sortie fibrée est standard pour un laser à fibre
Le laser à fibre ne présente pas les désavantages suivants :
• Effet de lentille thermique dans le milieu amplificateur, le profil de champ reste inchangé sur une grande plage de puissance.• Pas de contamination possible intra-cavité• Pas de désalignement possible.
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Comparaison lasers YAG et lasers à fibre
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Comparaison diodes fibrées et lasers à fibre autour de 1µm
Diode fibrée CW Laser à fibre CWQualité de faisceau ++
Rendement optique/ électrique +
Coût +
Longueur d’onde +
Intégration, refroidissement = =
Diode fibrée QCW Laser à fibre pulséQualité de faisceau ++
Rendement optique/ électrique ++
Energie +
Puissance crête ++
fréquence + (basse) + (haute)
rapport cyclique +
Coût +
Longueur d’onde +
Intégration, refroidissement = =
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Références :
• IREPA
• IUT du Limousin (4ième journée technique)
• Amplitude système
• JDS
• Limo
• Keopsys
• Laserline
• Quantronix
• Apave