Usinage laser ultra bref et contrôle des procédés

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Émilie Julien
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1 Usinage laser ultra bref et contrôle des procédés. Pr Eric AUDOUARD1,2 1, Laboratoire Hubert Curien, Saint Etienne, France. 2, IMPULSION SAS, Saint Etienne France

2 Contexte Scientifique et Industriel

3 Après plusieurs années de développement, les technologies de l ultra bref ont atteint la maturité industrielle. Station de travail utilisée en production (depuis juillet 2009)

4 Les applications pertinentes s appuient sur les spécificités de l interaction laser matière en mode ultra bref

5 Domaines spécifiques de l usinage ultra bref Usinage d un large panel de matériaux Précision sub micrométrique Usinage à effets thermiques limités

6 Nombreux secteurs applicatifs

7 Le chemin de l innovation RECHERCHE Connaissance des mécanismes d interaction INDUSTRIE TRANSFERT DE TECHNO Machines dédiées Station de travail prototype

8 Defi industriel actuel: Usinage ultra bref à vitesse ultra rapide!

9 Importance du contrôle des procédés

10 On disait autrefois que les procédés femto étaient athermiques (ms to ns) (fs)

11 avant de mesurer une zone thermiquement affectée Mono crystal d aluminium A recristallized area on 2-3 µm is shown by Electron Back Scattering Diffraction analysis S. VALETTE, et. al. Appl. Surf. Sc. 239, 381 (2005) Appl. Surf. Sc. 252, 4691 (2006) 10 µm

$Back Scattering Diffraction analysis S. VALETTE, et. al. Appl.$

12 et de décrire l interaction par l équation de diffusion de la chaleur... Shock wave 1 Hydrodynamic equations Two temperature model 1D hydrodynamic Code «Esther» 0.5 Electronic diffusion Electron-phonon coupling Ionic diffusion Plasma expansion Time (s) J.-P. Colombier et al. Hydrodynamic simulations of metal ablation by femtosecond laser irradiation Phys. Rev. B, 71, (2005) Optimized energy coupling at ultrafast laser irradiated metal surfaces by tailoring intensity envelopes. Consequences for material removal from Al samples. Phys. Rev. B, 74, (2006) High shock release in ultrafast laser irradiated metals : A scenario for material ejection Phys. Rev. B, 75, (2007) Transient optical response of ultrafast non-equilibrium excited metals: Evidence of an electron-electron contribution to collisional absorption Phys. Rev. E (2008)

Hydrodynamic simulations of metal ablation by femtosecond laser irradiation Phys. Rev.

13 Compréhension de la différence ps/fs par la modélisation 150 fs 15 ps J.P. Colombier et al., Appl. Surf. Sc. 225, 9597 (2009)

14 Importance du contrôle des paramètres critiques: le taux d ablation

15 Taux d ablation moyen pour les métaux De 1 khz a 15 khz Fluence optimale : 1-5 J/cm² Matériaux Al Cu Inox Ni Ta Taux d abaltion (nm/pls) Cadence du laser x 10 temps de procédé divisé par10

Cu Inox Ni Ta Taux d abaltion (nm/pls) 60 65 35 40

16 Un enjeu majeur : augmentation de la vitesse

17 Taux d ablation pour les polymères bio résorbables Avec le taux d ablation moyen, il est possible de prédire un temps de procédé physique 100 mw, 4 to 6 passes 160 mw, 4 to 6 passes Temps de procédé calculé : 3 min Temps observé : 30 min D. BRUNEEL, G. MATRAS, R. LE HARZIC, N. HUOT, K. KÖNIG, E. AUDOUARD Optics and Lasers in Engineering, 48, (2010)

passes Temps de procédé calculé : 3 min Temps observé : 30 min D. BRUNEEL, G. MATRAS, R.

18 Dans ce cas : diminuer le temps de procédé = améliorer l environnement (mécanique et informatique) Temps final obtenu : 4 min

19 Défis scientifiques Les défis pour l avenir Liés a la complexité des matériaux Liés à la dynamique Défis industriels Usinage ultra bref à vitesse ultra rapide! Texturation de surface uniquement liée à la dynamique du dépôt d énergie. Paramètres Fréquence : 5kHz Faisceau Top-Hat : 40µm Recouvrement : 33 µm Vitesse de déplacement : 5mm/s

Texturation de surface uniquement liée à la dynamique du dépôt d énergie.

20 Agir sur le laser : augmenter la cadence oui mais Comment augmenter la vitesse? Agir sur l environnement mécanique (tir envol)

21 Pour réellement maîtriser les procédés il faut maîtriser le laser Nombreux paramètres laser «ajustables» pour optimiser le procédé Bien sûr l énergie (amplifiée/non amplifiée) mais aussi - la durée d impulsion (150 fs, 400 fs, 1,2 ps) - la cadence - longueur d onde - le milieu actif Sa:Ti ou Ytterbium

22 Importance des outils d optimisation de l interaction

23 Intérêt d une sise en forme temporelle du faisceau

24 Intérêt d une mise en forme spatiale de faisceaux

25 Usinage avec mise en forme de faisceau

26 Quelques applications

27 Fonctionalisation de surface par nano structures

28 Nanostructure et mouillabilité S. Valette

29 Rugosité RMS (nm) Effet des paramètres laser sur la topographie de surface Evolution de la rugosité en fonction du nombre de pulses L V // 316L V TA6V V // TA6V V N (Nombre d'impulsions) 316L, N = 128 Pulses Augmentation globale de la rugosité avec le nombre de pulses Possibilité de contrôle de la rugosité de surface par les paramètres laser

30 CA ( ) Effet des paramètres laser sur la mouillabilité de surface Evolution de l angle de contact en fonction du nombre de pulses Augmentation globale du CA avec le nombre de pulses Transition hydrophilie-hydrophobie L TA6V N (pulses) 30

microstries et nanostructurations orientées, reflètent les géométries retrouvées in vivo dans l os lamellaire.

31 Texturations réalisées par laser femtoseconde sur un alliage de titane nanostructures «ripples» 20 ou 60µm 2µm microstries Reconstitution 3D à partir d images MEB Les topographies combinées choisies dans cette étude, microstries et nanostructurations orientées, reflètent les géométries retrouvées in vivo dans l os lamellaire. Structure de l os lamellaire Microstries = lamelles Nanostructure orientée = fibres de collagène V. Dumas et. al. (to be published) ostéon

Détermination des paramètres laser 5 µm 10 µm 15 µm 20 µm Microstries Largeur, profondeur et orientation des stries Nanostructures ou ripples Orientation (4)

32 Détermination des paramètres laser 5 µm 10 µm 15 µm 20 µm Microstries Largeur, profondeur et orientation des stries Nanostructures ou ripples Orientation (4) Dusser B Controlled nanostructrures formation by ultra-fast laser pulses for color marking Opt Express 18: (4) Laser femto seconde : 120 fs, 5kHz, 800 nm

(a) 90 0 Morphologie et orientation des cellules souches mésenchymateuses -90 Scale bar = 20µm (b) (c) Les nanostructures suffisent à orienter les cellules (70%).

33 (a) 90 0 Morphologie et orientation des cellules souches mésenchymateuses -90 Scale bar = 20µm (b) (c) Les nanostructures suffisent à orienter les cellules (70%). La combinaison microstries + nanostructures // oriente 95 % des cellules. Si les nanostructures sont perpendiculaires aux microstries de 60 µm, l orientation des cellules devient aléatoire. (d) (e) % Quantification de l orientation cellulaire (f) (g) L B T O Laboratoire Inserm de Biologie du Tissu Osseux Inserm U890

34 Nano usinage Spatial Light Modulator (SLM) LCoS reflective 1024 x 768 (XGA Resolution) Deformable mirror 52 actuators

35 Exemple de résultat Objectifs : composants plasmoniques

36 Exemple de résultat

37 Pour en savoir plus Techniques de l Ingénieur Article E6465

38 Merci pour votre attention La clé du succès

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