Laser : Procédés Laser

Depuis son invention il y a 50 ans, et ses premiers développements industriels dans le courant des années 80, le laser est arrivé progressivement à un véritable stade de maturité dans le domaine de la transformation des matériaux. Cet outil unique permet entre autres, et suivant les applications visées, d’enlever de la matière par découpe ou perçage, de souder des épaisseurs jusqu’à plusieurs centimètres, de fabriquer des pièces complexes par fusion de poudre, de durcir ou de texturer les surfaces à l’échelle du micromètre ou du millimètre. La maîtrise de l’ensemble de ces procédés passe tout d’abord par une compréhension fine des processus physiques complexes mis en jeu dans les différents régimes d’interaction laser-matière, en utilisant à la fois des diagnostics expérimentaux pertinents et variés (caméras grande vitesse, caméra thermique IR, vélocimétrie Doppler, spectroscopie …), et des modélisations ou simulations numériques plus ou moins simplifiées.  Dans un second temps, il s’agit de pouvoir caractériser les états résiduels des matériaux : aspect, topographie, microstructure, état mécanique, afin de corréler ces états aux cycles thermiques, thermo-hydrauliques et thermo-mécaniques subis localement par la matière.

Le groupe LASER du PIMM, issu directement de l’ex-laboratoire LALP et présent sur le site du Centre de Paris des Arts et Métiers depuis Février 2009, a donc tout naturellement une double vocation: (1) comprendre et améliorer la mise en œuvre des procédés laser, (2) maîtriser les effets induits dans la matière, qu’elle soit métallique (la majorité des cas), céramique ou polymère. Tout cela passe nécessairement par l’utilisation de sources laser récentes et appropriées comme en 2009 (achat d'un laser Yb:YAG 10 kW à disque) ou en 2013 (Achat d'un nouveau laser Nd:YAG impulsionnel générateur de chocs dans le cadre du SESAME Hephaistos).

Au cours de ces dernières années, plusieurs résultats significatifs ont ainsi été obtenus sur l’ensemble des procédés laser étudiés. On peut tout d’abord mentionner la description physique complète de la dynamique du capillaire de vapeur et du bain liquide en soudage laser qui a abouti, par l’intermédiaire de visualisations directes couplées à des modélisations analytiques, à une nouvelle approche des problèmes de soudabilité laser et à un certain nombre de solutions innovantes directement applicables à des cas industriels (élargissement-stabilisation du capillaire par micro-buse de gaz …). Un prolongement direct de ces études a concerné l’optimisation du soudage hybride laser-MIG (thèse de E.Leguen 2010), la mise en place d'une description phénoménologique de la formation des stries en découpe laser forte épaisseur (K.Hirano 2012), ou l'assemblage hétérogène Aluminium-Titane (projet Carnot ATTILA avec l'ICB).

Saignées de découpe laser dans différents régimes d'interaction dépendant de la vitesse de découpe (a) V < 2 m/min, instable, (b) 2 < V < 6 m/min, front stable et flancs instables, (c) V> 6 m/min, stable

 

Parmi les thématiques « historiques » du groupe, l’étude des ondes de chocs-laser est à la fois l’une des plus originales et l’une des plus reconnues dans le monde,  que ce soit, pour l’utilisation comme test d’adhérence des interfaces (composites époxy-carbone : thèse E.Gay, 2011), pour l’étude du comportement dynamique sous choc des métaux (ANR SIPRODYN, thèse A.Nifa) ou pour l’application au renforcement des matériaux par grenaillage photonique (ANR CAPSUL).  La possibilité de mettre en œuvre les essais de choc-laser en caractérisant les plasmas et les ondes de choc induites, et en mettant en œuvre des simulations numériques par éléments finis est un atout certain, fortement renforcé par la richesse des moyens d’expertise matériaux du PIMM, et par l'accès à des grands instruments (chaine LULI 2000) permettant de générer des chocs très intenses.

 

Mise en vitesse par choc-laser d'une cible d'aluminium de 100 µm d'épaisseur par une impulsion laser de 600 TW/cm² et formation d'une écaille (comparaison expérience / simulation avec utilisation d'un modèle d'endommagement)

 

Dans le domaine de la fabrication additive par laser, qui permet de construire des pièces 3D par fusion laser de poudres, nous nous attachons à comprendre l’origine physique des mauvais états de surface obtenus, afin de proposer des solutions pratiques et innovantes. Dans ce domaine, nous collaborons avec un laboratoire de simulation numérique (LIMATB-UBS), sur le calcul des zones fondues et de leur stabilité dimensionnelle (ANR ASPECT, thèse M.Gharbi). Le procédé permet également l'élaboration de matériaux à gradients ou de composites à matrice métallique. C'est le cas par exemple de composites à matrice titane (CMT) pour lesquels une thèse vient de débuter (S.Pouzet). Enfin, une nouvelle étude sur la fusion sélective de pièces en polymère par une technique « lit de poudre » est en cours dans le cadre du projet FUI FADIPLAST (Dassault, MBDA), en collaboration avec le groupe ARPE. Ce projet a donné lieu à la conception-réalisation d'un banc instrumenté de fusion sélective permettant d'accéder aux propriétés de la matière (coalescence, température) lors de l'interaction laser-poudre.

 

Amélioration des états de surface obtenus par fabrication directe par laser (FDL) sur alliages de titane par utilisation d'énergies linéiques (P/V) élevées (a) P=400 W, V=0.2 m/min, (b) P=500 W, V=0.4 m/min (profilométrie 3D)

Le perçage laser (appliqué entre autres aux aubages aéronautiques) est un procédé pour lequel la concurrence des laboratoires étrangers est particulièrement active. Notre contribution originale à cette thématique consiste à la fois à développer des modèles physiques simplifiés de l’interaction en régime semi-confiné permettant de mieux comprendre la géométrie des trous, mais également à optimiser le perçage de structures complexes (pièces revêtues de barrières thermiques), tout en étudiant l’influence des zones percées sur les propriétés mécaniques statiques et cycliques des structures (collaboration avec le groupe COMET, ANR ULTRA). Une description numérique du perçage percussionnel, utilisant la méthode C-Nem développée dans le groupe DYSCO du PIMM, est également en cours dans le cadre de la thèse de J.Girardot.

Si la plupart des études mentionnées ci-dessus s’intéressent directement aux procédés laser, il est également possible d’utiliser le laser comme une simple source de chaleur, de distribution spatiale et temporelle connue, permettant de reproduire d’autres phénomènes physiques. C’est par exemple le cas de la combustion assistée par laser (thèse M.Muller) au cours de laquelle un dépôt d’énergie laser contrôlé est utilisé pour initier et entretenir une combustion, afin de simuler des incidents exothermiques dans les canalisations d’oxygène sous pression.

Actuellement, le groupe est composé de 14 personnes dont 8 permanents, 5 doctorants, et un ingénieur de recherche sous contrat). Il s’adosse à un partenariat industriel fort via le groupement d’intérêt scientifique GEPLI auquel participent Air Liquide, Arcelor, Peugeot-Citroën, Safran et Thales, et qui contribue à l’orientation des thématiques scientifiques. A ces collaborations industrielles viennent s’ajouter de nombreux contacts scientifiques avec la communauté française (PPRIME-Poitiers, Ecole des Mines de Paris, Université de Bretagne Sud, INSA Strasbourg, Université de Bourgogne …) et internationale (ILT Aächen, CNRC Canada …).