Ce compte rendu a pour but de mettre en valeur les dernières avancées en R&D présentées à l EALA 2013 sans partis pris.

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1 Rapport d étonnement sur la conférence EALA 2013 European Automotive Laser Applications Février 2013 Bad Nauheim / Germany Correspondant : Aurélie ANNE Ingénieur Matériaux Plateforme Laser Tél : +33 (0) aurelie.anne@institutmaupertuis.fr Comme tous les ans, les journées Européennes des applications laser dans l automobile organisées par «Automotive circle international», regroupent constructeurs automobiles mondiaux, sous traitants laser, centres de recherche tels les Fraunhofer et autres participants intéressés par le procédé laser et ses applications dans le secteur automobile. Ces journées constituent un évènement important tant par la qualité des interventions et de leurs impacts sur les stratégies industrielles que par les potentiels d échanges entre participants. Ce compte rendu a pour but de mettre en valeur les dernières avancées en R&D présentées à l EALA 2013 sans partis pris. I. Contexte Les journées Européennes des applications laser dans l automobile ont réuni cette année 175 personnes. La majorité des présentations tend vers un challenge commun à savoir la réduction de la consommation des véhicules. Les principaux axes de recherche abordés pour répondre à ce challenge sont : L emploi des composites et plastiques et la maitrise des procédés associés (découpe, soudage) La flexibilité des procédés laser (développement des sources laser) Les assemblages dissimilaires (Aluminium/Cuivre, composite et ajout métallique) Les journées EALA ont débuté par la présentation d une nouvelle «philosophie» sur les moyens de fabrication de pièces automobiles (cf. figure 1) mise en valeur par le Fraunhofer ILT et le centre universitaire RWTH : l utilisation de la technologie SLM (Selective Laser Melting) ou frittage laser. Ce procédé de fabrication, créé depuis une vingtaine d années, se développe. A partir d une fine poudre atomisée et d un fichier CAO 3D de la pièce, plusieurs fines couches 2D sont créées et soudées l une après l autre par laser. Economiquement cette technologie va à l encontre des procédés conventionnels, elle se veut non dépendante du nombre de pièces et de leur complexité. Son intégration est cohérente par rapport aux enjeux de réduction des masses des véhicules (cf. Figure 2). 1/7

2 Source : N.Skrynecki,kundenorienttierte Optimierung des generativen Strahlschmelzprozesses,2010 Figure 1 : Applications potentielles du SLM dans le domaine automobile Source : Fraunhofer ILT, RWTH Aaachen University LLT, TOS, NLD, EALA 2013 Figure 2 : Cout de la réduction des masses II. Résumé des principales présentations II-1 Les nouveaux matériaux basés sur les polymères Plusieurs voies d applications du laser sur les polymères répondent à la réduction des masses des véhicules : - Gain de productivité potentiel obtenu par l intégration du laser dans la chaine de fabrication de découpage et d assemblage de polymère renforcé fibre de verre : réduction du nombre d étapes grâce à la flexibilité d application du procédé laser ; - Découpe de polymère renforcé fibre de carbone ; - Soudage de polymères ; - Assemblage dissemblable polymère fibre de carbone/métal. Polymère renforcé fibre de carbone (CFRP) La difficulté de découpe par laser des polymères renforcés à fibre de carbone (cf. défaut type en figure 3) réside dans l hétérogénéité de comportement des matériaux face au laser. En effet, contrairement à la matrice, les fibres de carbone sont très dures, absorbent fortement le laser, ont une haute température de sublimation (3650 C) et une forte conductivité thermique. Laser Délamination superficielle Fissure Irrégularité de découpe liée à l accumulation ponctuelle de matrice ZAT Matrice (résine) non coupé Fissure Délamination superficielle Source : IWB, EALA 2013 Figure 3 : schéma de défauts potentiels suite à la découpe laser non optimisée - découpe de CFRP à matrice noire (IWB) 2/7

3 Des travaux d optimisation réalisés par l université Japonaise d Osaka sur la découpe de 3mm de polymère à fibre de carbone, montrent les intéressantes conclusions suivantes : - La largeur de ZAT, qui doit être la plus petite possible pour assurer la qualité (<100µm), est accentuée par : L éjection de la plume (vaporisation des éléments) Le type d orientation des fibres (ZAT longue fibre> ZAT fibre mêlée>zat fibre croisée) - Suite à cela, la faisabilité de découpe à paramètres peut être optimisée par 3 types de laser : Equipement : laser à disque 16kw, vitesse 5m/s Bonne qualité de découpe en multiple passes ZAT 50µm Temps de cycle réduit en augmentant la puissance (de 2 à 5kw) Equipement : laser à fibre SM, vitesse 3m/s Bonne qualité de découpe en multiple passes ZAT 100µm Nombre de passes nécessaires moins important qu avec le laser à disque Equipement : laser pulsé 50W, vitesse 0.2m/s Très bonne qualité de découpe Pas de ZAT Process long Source: Osaka University, EALA 2013 Figure 4 : résultats optimaux obtenus par trois types de laser (Université Osaka) IWB a mis en valeur l importance de la coloration des matrices. En effet, les matrices de polymère transparentes présentent des défauts plus importants (fissure, découpe irrégulière, lien résiduel de résine) que celles colorées noires. L addition de carbone dans les procédés RTM (Resin Transfer Molding) permettrait d améliorer davantage la qualité de découpe des CFRP. Coté équipement, la société DILAS Industrial Laser Systems a présenté la tête Galvo avec pyromètre intégré et d intéressantes applications associées. En effet, l orientation des fibres des CFRP influencent la fusion du polymère, dans ce cadre la maitrise de l énergie (température) juste nécessaire par la soudure peut être maitrisée par le pyromètre. Source : DILAS, EALA 2013 Figure 5 : Tête DL.S20P Assemblage dissimilaire polymère renforcé fibre de carbone et métal Les liaisons «polymère/acier» conventionnelles mécaniques (rivetage, vissage) ou chimique (collage) présentent des inconvénients notamment en terme de temps de cycle. L assemblage par laser a donc son intérêt. 3/7

4 Le mécanisme de liaison par laser a été expliqué par l université d Osaka (cf. figure 6). Lors de l interaction laser matière, le transfert de chaleur se déplace vers le polymère qui se fluidifie et vient créer une liaison à l interface. Le pourcentage et la dimension des bulles formées (autour des fibres) en ZAT conditionnent la tenue mécanique du joint. De fortes liaisons ont été obtenues avec de l aluminium (5052), de l acier inox (304) et de l acier revêtu (de l ordre de 3500N sur 20mm soudé). Ces liaisons ont été obtenues avec de faibles puissances laser (inférieur à 1kW) et de faibles vitesses d avance (inférieur à 1m/min). L optimisation des vitesses de soudage rendrait ce type d assemblage très prometteur ; resterait à le valider industriellement. Source : Katayama, Scr.Mater., 59 (2008) , EALA 2013 Figure6 : Mécanisme de liaison de l assemblage métal/plastique Audi : II-2 Le déploiement du laser sur caisse automobile et assurance qualité o Nouvelle Audi A3 Le constructeur Audi a présenté sa nouvelle Audi A3. Elle résulte, en termes de design, de la combinaison des deux générations précédentes. La caisse en blanc est en acier, et la majorité de ces aciers sont des aciers formés à chaud et de haute résistance. Matériaux et design ont permis de réduire de 80kg le véhicule. Les pavillons et hayons sont soudo-brasés laser (laser à diode direct + tête Scansonic Alo3) et les portes et cotés de caisse sont soudés laser (laser à disque 4002 Trumpf +PFO3D). o LaserCleaning LaserCleaning a présenté ses lasers pour nettoyage et ablation de surface par nanopulse. Un de leur système est actuellement employé en ligne avant soudage pour enlever résidus graisseux et couche d oxyde sur l Aluminium 6000 de la caisse de l Audi TT. Volkswagen : o Inspection des soudures par thermographie Volkswagen a mis en valeur son système de contrôle qualité des cordons de soudure laser appliqué à sa nouvelle golf. L apport d énergie (flash) et la réception de la lumière transmise (caméra) sont combinés dans le même dispositif. La flexibilité de mesure est alors plus importante. La précision de mesure et l automatisation du système d évaluation sont leurs prochains challenges dans le contrôle hors ligne des soudures. 4/7

5 Source : Volkswagen Sachsen, EALA 2013 Figure7 : Contrôle hors ligne des soudures VW par thermographie o Développement Primes : VW utilise 2 pinces laser IPG (laser seam Gun). Primes a développé pour la pince un appareil de mesure combinant acquisition de la puissance et mesure du diamètre et de la position du faisceau laser. Source : Primes, EALA 2013 Figure 8 : Tête Laser Beam Stepper d IPG et moyen de mesure FPM Primes PSA Peugeot Citroën : Le groupe PSA a mis en valeur l intéressante évolution entre la 207 et la 208 en termes de masse, de design et de procédé d assemblage. En effet, un gain dans la réduction de masse de 135kg sur la caisse en blanc de la 208 a été obtenu notamment grâce à : - L emploi de l Aluminium. - L application du laser pour l assemblage des portes, hayon et pavillon. L application du laser a permis de réduire la largeur des feuillures de portes de 12mm sur la 207 à 5mm sur la 208. L intégration du laser a aussi permis de réduire de manière importante le nombre de robots nécessaires au soudage des portes (1 robot sur la 208 contre 7 robots nécessaires sur la 207) ; Mercedes-Benz : Le groupe Mercedes-Benz a orienté sa présentation sur l application du laser pour la trempe de composant moteur, tel l arbre à came de ses nouveaux moteur 1,6L de la classe A et B. Ces traitements sont possibles par adjonction de pyromètre coaxial au faisceau laser (developpement avec scansonic). BMW : Le groupe BMW a présenté la réussite de l application du laser dans l assemblage des intérieurs de porte de sa série 1 en remplacement de l assemblage par collage. Source : Mercedes-Benz, EALA 2013 Figure 9 : Coupe et filiation de dureté arbre à came Mercedes-Benz Source : BMW, EALA 2013 Figure 10 : Emplacement des cordons laser sur intérieure de porte série 1 5/7

6 Renault Renault a présenté la faisabilité de remplacement du soudobrasage laser par du brasage plasma par Plasmatron sur le pavillon de la Clio 4. D importants travaux d optimisation sur la qualité du cordon ont été réalisés (ajout d une source fil chaud, support du doigt de guidage, paramétrie). La qualité et résistance des cordons semblent être comparables. Cette technologie est d autant plus intéressante sur ce type de véhicule de par son faible cout d investissement (40% de moins que la technologie laser). II-3 Dernière avancées dans les sources laser Source : Renault, EALA 2013 Figure 11 : System Plasmatron Coté équipement, Trumpf a notamment mis en valeur : - Son laser pour ablation de surface (Trumicro) et son travail sur la géométrie de la fibre en ratio rectangulaire 1:10. Ce ratio permet, comparé à un ratio carré 1:1, d augmenter de 80% le transfert de conduction de chaleur dans la direction d avance du traitement. Cette technologie est particulièrement adaptée à l ablation rapide de surface de la couche Al-Si (10 à 20µm néfaste au soudage) que possèdent les aciers pour faciliter leur emboutissage à chaud. - Le prototype du laser hybride «green/ir». Ce laser, à deux longueurs d onde, serait particulièrement intéressant dans le cas d applications d assemblage de matériaux à propriété optique dissimilaire comme le cuivre ; La combinaison du laser «vert» propice à l échauffement et la mise en fusion progressive du Cuivre et du laser «IR», adéquat en phase keyhole, permet de le souder de manière optimale. Source : Trumph, EALA 2013 Figure 12 : Schéma de principe de la source hybride Trumpf Le développement des sources laser à diode pour répondre aux applications automobiles a été remarqué lors de ces journées. La société américaine TeraDiode a notamment mis en valeur ces travaux sur ses sources laser à diode direct en terme de : - compacité, cout, rendement ; - luminance et qualité comparable à la 2 ème génération à faible puissance. Leur but étant à court terme d obtenir pour des puissances de l ordre de 4KW des qualités de faisceaux similaires aux intéressants résultats obtenus à ce jour à 2KW. 1 ère génération 2 ème génération 3 ère génération Source : TERADIODE, EALA 2013 Figure 13 : Evolution des lasers vu par TeraDiode 6/7

7 II-4 Développements et applications des OEM laser Depuis plus de 35ans Bosch exploite le laser sur ses différents produits (marquage de produit, décapage de céramique, perçage de filtre, soudage de valve d injection, trempe de composant de démarreur ). Bosch a montré son implication dans les projets : - Weldima : soudage de matériaux dissimilaires, travail sur les fissures d acier haute résistance notamment par l utilisation du wobbling (oscillations rapides) de la tête PRECITEC. - CuBriLas : soudage du Cuivre par les lasers hybride (vert + IR). Cf. ci-dessus Source : Bosch, EALA 2013 Figure 14 : Influence du wobbling sur les contraintes résiduelles Source : Bosch, EALA 2013 Figure 15 : Intérêt de la combinaison du laser verte et IR pour le soudage du cuivre Constructeurs comme OEM lasers (Gestamp, Blackbird ) ont largement fait état tour à tour de l intérêt actuel de l utilisation du soudage à la volée (tête Remote + contrôleur) : - productivité, réduction du nombre robots ; - participation à la réduction des masses (optimisation de la géométrie des cordons, réduction de la largeur feuillures) III. Bilan et perspectives Les conférences de ces journées ont eu pour ligne directrice la réduction des masses des véhicules. Au regard des présentations, les composites fibres de carbone et composites mixtes avec acier sont avec les alliages d aluminium les matériaux à exploiter dans le domaine automobile ces prochaines années. Afin de compenser leur cout élevé en /tonne par rapport à l acier, l optimisation et la flexibilité des process de mise en forme et d assemblage sont nécessaires. L emploi du laser contribue à ce défi écologique et économique. Nous retiendrons notamment de ces conférences : - L émergence des lasers hybrides (Green et IR) pour les assemblages dissemblables type Alu- Cuivre (applications potentielles dans le domaine des batteries). - La faisabilité de découpe par laser des composites fibres de carbone et la mise au point future d un filtre universel quant à l émission toxique que génère leur découpage ou soudage. - La flexibilité et productivité apportées par le laser au travers des diverses applications chez les constructeurs automobiles : préparation de surface avant soudage, traitement de surface, brasage, soudage (large utilisation des têtes remote). 7/7