Perçage

Procédés laser

 Responsable : P.Peyre (DR)

Permanents : L.Berthe (CR), F.Coste (IR), C.Dupuy (Ing), R.Fabbro (DR), C.Gorny (AI), M.Nivard (AI), M.Schneider (Ing)  

Doctorants, Post-doctorants, contractuels : M.Gharbi (Doc), M.Müller (Doc), A.Nifa (Doc), S.Pouzet (Doc), R.Mezzari (Doc), Y.Rouchausse (Ing.Contr)

  

 Depuis son invention au début des années 60, 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 très large palette d’utilisation des lasers est favorisée par une évolution rapide et constante des sources laser qui oblige les utilisateurs à revisiter régulièrement la physique associée et les effets induits. 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.

    Halle "Procédés laser" du PIMM

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  Le groupe « Procédés 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 (exemple : laser Nd :YAG à disque de 10 kW acheté début 2009 sur un contrat SESAME) travaillant en régime pulsé ou continu. 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 concerne actuellement l’optimisation du soudage hybride laser-MIG et celle de la découpe laser forte épaisseur (thèses de E.Leguen et K.Hirano). 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 revêtements (http://www-lasat.gerailp.fr), pour l’étude du comportement dynamique sous choc des métaux (ANR SIPRODYN, thèse A.Nifa) ou des composites (thèse E.Gay), ou pour l’application au renforcement des matériaux par grenaillage photonique (http://capsul.gerailp.fr/tiki).

      

Alliages d'aluminium traités partiellement ou intégralement par impacts laser de 1.8 mm de diamètre

La possibilité de mettre en œuvre les essais de choc-laser en maîtrisant bien les plasmas et les ondes de choc induites, est un atout certain, fortement renforcé par la richesse des moyens d’expertise matériaux du PIMM. Dans le domaine de la fabrication additive par laser, qui permet de construire des pièces 3D par fusion laser de poudres, nous nous attachons, entre autres aspects, 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). L’élaboration de matériaux à gradients, permettant d’éviter les transitions brutales entre deux ou plusieurs matériaux, fait également l’objet d’un intérêt croissant de notre part. Enfin, une nouvelle étude sur la fabrication directe de pièces en polymère par une technique « lit de poudre » est en train de débuter dans le cadre d’un partenariat industriel et en collaboration avec le groupe «Microstructures et propriétés des polymères ». 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 « Microstructures et propriétés des métaux», ANR ULTRA). 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 une combustion, afin de simuler des incidents exothermiques dans les canalisations d’oxygène sous pression.

 

             

Procédés laser : (a) bain liquide métallique obtenu lors d'un soudage laser, (b) Perçage laser en régime ms

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Actuellement, le groupe est composé de 15 personnes dont 7 permanents, 5 doctorants, 2 post-docs, 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 (LCD-Poitiers, Ecole des Mines de Paris, Université de Bretagne Sud, INSA Strasbourg, Université de Bourgogne …) et internationale (TWI Cambridge, ILT Aächen …).

Laser

Responsables: 
Frédéric COSTE

 

Le centre de ressources « laser » regroupe les installations de l’ancien laboratoire LALP qui a fusionné au sein du PIMM, et qui sont utilisés par le groupe «PROCEDE LASER. »

Ces installations s’organisent autour de trois types de sources lasers :

Les sources continues :

Les lasers continus, avec une puissance moyenne maximale de 10 kW, pour les applications de soudage, découpe et traitement de surface en régime continu.

Le laser continu de 10 kW est distribué sur 6 postes de travail indépendants sur lesquels les différentes études (recherche, thèses, contrats industriels) sont réalisées. L’image ci-contre montrela cavité du laser TRUMPF TruDisk de 10kW. Ce laser permet d’obtenir des diamètres de spot de travail de 200 microns jusqu’à 600 microns (et plus) sur la pièce, pour des opérations de soudage, découpe ou traitement de surface.

Le poste 1, portique cartésien, est dédié aux études portant sur la fabrication directe (ou la réparation) par laser. Le but de ce procédé est la fabrication directe de pièces tridimensionnelles.  De la poudre métallique est fusionnée au foyer d’une optique de focalisation. Les pièces sont ainsi créées couche après couche, directement à partir d’un fichier CAO.

Le poste présenté est utilisé pour l’étude et l’instrumentation du procédé. Des machines de production industrielle existent pour la fabrication industrielle de pièces.

Le poste 2 est dédié aux études soudage tôles fines épaisseur, plus précisément dans le cadre des applications soudage « automobile ».

Le poste 3 est dédié aux travaux de thèse. (soudage hybride, découpe). Le poste instrumenté permet d’utiliser le laser de 10 kW en régime de soudage, soudage hybride et découpe. Il est équipé de divers moyens d’instrumentation, principalement une caméra rapide Photron RS300 (jusqu’à 100.000 images/secondes en format réduit).

Le poste 4 est un poste ‘ouvert’ permettant d’accueillir des expériences diverses nécessitant une surface au sol importante. Il est utilisé pour des essais de calibration de capteur optique

Les postes 5 et 6 sont équipés de robot 6 et 8 axes.

 Le dernier poste sert aussi bien pour des études internes que pour l’enseignement au sein de l’école. Il permet de travailler en pièce portée ou en tête laser en mouvement.

Le poste FADIPLAST est équipé d'un laser CO2 de 50 W qui permet de travailler sur la fabrication directe à partir de poudre de polymère. 

Les lasers Pulsés

Les lasers pulsés, avec une puissance crête de 18 kW et des durées d’impulsion milliseconde sont principalement utilisés pour les applications de perçage par laser. Un système de déplacement 4 axes (X-Y-Z + q) assure le positionnement des pièces.

Opération de perçage avec un laser pulsé (15 kW, une milliseconde) en vue d’obtenir un perçage oblique sur éprouvette (application aéronautique).

 

Les lasers Impulsionnels.

Les lasers impulsionnels, avec des durées d’impulsion de l’ordre de quelques nanosecondes à quelques dizaines de nanosecondes, pour les applications chocs laser et micro-usinage, gravure, PLD.

Des moyens d’instrumentation adaptés  permettent l’étude de l’interaction laser-matière dans les différents régimes de fonctionnement accessibles avec les sources disponibles au sein du laboratoire.

     

 Liste des Sources Laser :

 

Materiel

Charactéristiques

Détails

Yb:YAG laser, TruDisk 10002. HAAS Laser

10 kW.

Fibre optique utilisable de 0,2, 04 et 0,6 mm

Nd:YAG laser, Continuum

30W, Q-switch, 3 Joules,8 ns, 10 Hz.

 

Nd:YAG laser,   HL201P.  HAAS Laser

200 W, diode pumped, pulsed laser.

Peak power: 18 kW

Nd:YAG laser, True Pulse

50 ns

 

Diodes. THALES.

30 W,

0.6 mm fibre

Diodes. DILAS.

150 W,

0.6 mm fibre

Fibre Laser,  IPG.

100 W.

(inclus dans une  machine de prototypage rapide).

MIG; pour le soudage hybride. (Air Liquide)

MIG pulsé ou courant lisse.

 

Robot Industriel (Staubli/KUKA).

 

 

3 x-y (z) stages

 

 

1 x-y–z stage,(precision 1 micron)

 

 

 Matériel d'instrumentation :

 

 Materiel

Charactéristiques

Camera Vidéo Rapide Photron Ultima 1024.

 4000 fps (512x128pixels).

Camera Vidéo Rapide Photron APX-RS 3000

 10000 fps (512x512pixels)..(up to 100.000 fps)

Camera Vidéo Vidéo Rapide Photron MC2

 Caméra rapide miniature, deux têtes synchronisées. Jusqu'à 10.000 frame/s en format réduit.

Camera Vidéo Thermique

 FLIR SC4000. Bande spectrale 2-4 microns. (< 2000°)

Taille Capteur: 320 x 256 pixels. (400 frame/s)

VISAR

 

Camera DICAM, 

Obturateur rapide. (ns)

Analyseur de Faisceau Nd:YAG.

Faisceau continu ou impulsionnel

 

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