Une entreprise se présente Laser Automation Gekatronic SA La technologie du laser au service de l'horlogerie Jean-Christophe Kullmann, Directeur, Laser Automation Gekatronic SA Avenue L.-J. Chevrolet 12, CH-2300 La Chaux-de-Fonds Fondée en 1968, l'entreprise familiale chaux-de-fonnière, utilise la technologie du laser pour souder, découper, percer et graver des composants horlogers. Ces différentes opérations sont applicables tant au niveau de l'habillage (boîte, couronne, bracelet) que sur divers éléments du mouvement (pitons, sautoirs, mobiles, etc.). Des matériaux aussi variés que l'acier, le titane et les métaux précieux peuvent être usinés avec une grande précision. L'expérience acquise depuis bientôt 40 ans, ainsi qu'un parc composé de 30 machines spécialement développées pour ce type d'applications, offrent un niveau de qualité qui permet de satisfaire les manufactures les plus exigeantes. En outre, la technologie laser permet de résoudre de nombreux problèmes de fabrication : en offrant des solutions novatrices, elle repousse les limites de la faisabilité et favorise le développement de processus de production modernes et rationnels. De la conception de machines à la soustraitance Fabricant de machines de soudage laser à sa création, l'entreprise s'oriente aujourd'hui sur trois pôles d'activités : la fabrication de machines spéciales d'assemblage et de traitement par laser de composants microtechniques ; la sous-traitance laser (soudage, découpage, perçage, marquage) et mécanique ; la fabrication d'implants cardiovasculaires ; Ces compétences s'adressent à des secteurs industriels aussi variés que l'horlogerie, le médical (instruments et implants), l'électrotechnique, les arts graphiques, l'aérospatial et l'industrie automobile. La Suisse et les pays d'europe de l'ouest sont les principaux marchés. Le laser et ses applications dans l'industrie L'usinage par faisceau laser prend en considération de nombreux paramètres liés à la source laser elle-même (faisceau), mais également aux systèmes optiques (focalisation) ainsi qu'aux périphériques associés qui conditionnent la qualité de l'usinage (outillages, gaz de protection) Ainsi, en fonction de la nature des matériaux utilisés, une bonne connaissance de cette technologie implique une bonne maîtrise de ces paramètres et de leur interaction respective. Principe du procédé L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation Amplification de la lumière par stimulation de l'émission des radiations Bulletin SSC n 53, décembre 2006 15
Le faisceau laser est un rayon lumineux cohérent en phase et en fréquence, d'une longueur d'onde unique. Il est 1 million de fois plus puissant que la lumière solaire. La densité d'énergie induite par le faisceau échauffe la surface à usiner. En fonction de l'application, elle est modulée de manière à obtenir soit une fusion du matériau (soudage), soit une sublimation (perçage, découpage ou marquage). L'interaction faisceau/matière dépend fortement de la nature du composant irradié. Les matériaux hautement conducteurs - Argent, Or, Cuivre, Platine - sont également très réfléchissants et sont difficiles à mettre en fusion : le peu d'énergie absorbée provoque un léger échauffement, rapidement dissipé par le reste du matériau en raison de la conductibilité thermique. Le soudage La réalisation d'une soudure repose sur le phénomène de fusion localisé de la matière au point d'impact du faisceau. L'énergie est appliquée sur le matériau en un laps de temps aussi court que possible, avec une grande intensité. Le bain de fusion, ainsi créé et entretenu, est déplacé entre les pièces à assembler et le métal se resolidifie après passage du faisceau, assurant l'assemblage des pièces. Comme le soudage laser s'effectue généralement sans apport de matière, afin d'éviter une intermittence du cordon de soudure en raison d'un manque de matière, il est important de limiter au maximum l'interstice entre les deux pièces à souder. Le soudage laser nécessite de ce fait, comme tout procédé d'assemblage, la mise en œuvre d'un outillage dont le but sera d'assurer les fonctions de maintien ou de bridage des pièces, de les positionner et, le cas échéant, de les protéger d'éventuelles projections. Par points ou cordons de points, le laser permet de souder des alliages homogènes (Aluminium, Cuivre, Cuivre au Bérilium, Cuivre-Nickel, Nickel, Molybdène, Tantale, Titane, Tungstène, aciers avec une teneur en Carbone inférieure à 0.2%, aciers inoxydables) ou alliages hétérogènes (acier inoxydable/or, acier inoxydable/platine, Platine/Or). Plus grande est la conductibilité thermique d'un matériau, plus la manière de former les joints joue un rôle important. En principe il faut prendre en considération les contraintes de retrait qui apparaissent lors de la solidification de la matière en fusion et qui peuvent donner lieu à des fissures. Le problème de tensions critiques dues au retrait ne se présente pas pour les fils, bandes, etc., qui peuvent être mis en fusion et traversés par une seule impulsion. Les différents types de soudage laser Les soudures par cordon, sont une succession de points. En chevauchant les points, on obtient des cordons de soudure étanches aux gaz. Les diamètres de points, la fréquence des impulsions et le recouvrement déterminent la vitesse de soudage. Par exemple, avec un diamètre de point de 0,6 mm, une fréquence de 10 Hz et un recouvrement de 50% environ, on obtient une vitesse de soudage de 3 mm/sec. Une accélération de la vitesse par l'augmentation de la fréquence influence favorablement l'échauffement, notamment par rapport aux contraintes de retrait. L'échauffement global de la pièce devient cependant plus important. Fig. 1 : Industrie horlogère, Acier / Acier. Partie d un chronographe : 1 point assure 2 composants et un ressort. Avantages : Remplace le montage du ressort. Simplification de la fabrication, fiabilité accrue. Pour souder par recouvrement (deux matériaux l'un sur l'autre) il faut que le matériau supérieur soit d'abord mis en fusion, jusqu'à ce que le point de jointure avec l'autre matériau soit atteint. Son épaisseur doit par conséquent être aussi faible que possible. Par contre, plus l'épaisseur de la pièce supérieure diminue, plus l'espace admissible entre les deux composants à souder doit être réduit. Lors du soudage bord à bord (juxtaposition de deux matériaux côte à côte) la fusion intervient simultanément sur les parties à souder. L'épaisseur n'est par conséquent pas limitée. Cette méthode a par contre tendance à former des fissures lors du retrait, qui se présentent longitudinalement à la jointure. La formation de fissures est encore accentuée par la présence d'interstices au niveau de la jointure. Une configuration appropriée de la 16 Bulletin SSC n 53, décembre 2006
jointure permet cependant d'éviter la formation de fissures. Les soudures d'angle, côté concave, ne sont possibles qu'avec des matériaux qui se prêtent bien à la soudure, car cette méthode a particulièrement tendance à fissurer, raison pour laquelle il est nécessaire de souder avec des diamètres de points très petits. Fig. 2 : Industrie horlogère, élément mécanique du mouvement, Acier / Acier. Cordon de soudure assemblant l axe avec la roue Avantage : Empêche la rotation de la roue sur l axe Nature des surfaces Lors de l'amorçage de l'irradiation, les surfaces brillantes ou polies, ainsi que les matériaux hautement réfléchissants, occasionnent des pertes d'énergie dues à la réflexion et demandent par conséquent des densités plus importantes. Les cas les plus favorables sont lorsque les surfaces sont mates et lorsque les matériaux présentent une structure identique. Bien qu'un nettoyage particulier ne soit généralement pas nécessaire, les pièces doivent toutefois être très propres car des résidus combustibles, par exemple un film d'huile, peuvent donner lieu à des calamines gênantes ou accentuer le risque de micro fissurations et de porosités dans les soudures. Les dépôts galvaniques métalliques minces, par ex. le Nickel, le Chrome, le Cuivre, l'argent ou l'or n'influencent généralement pas la soudabilité. En principe le taux de réflexion est augmenté par l'argent ou l'or mais une épaisseur plus petite ou égale à 10 µm ne forme pas une barrière qui influence de manière significative ce taux de réflexion. Le zingage peut par contre devenir critique, notamment lorsque la couche de zinc recouvre également la zone à souder. En sublimant, le zinc produit des projections ainsi que des porosités dans la soudure. Par contre, le zinc n'est pas gênant pour le cuivre et ses alliages car, bien que son point de fusion soit plus bas (232 C), sa température de sublimation est relativement haute (906 C). Les couches d'oxydes, lorsqu'elles sont directement irradiées, peuvent également amoindrir la réflexion et produire des projections ainsi que des porosités dans la soudure. Ce phénomène est cependant moins marqué que pour les surfaces zinguées car l'épaisseur des couches d'oxydes est souvent moindre. Le comportement de laque isolante joue par contre un rôle majeur, spécialement pour les fils utilisés en électronique. Les laques subliment à la surface et provoquent des porosités dans la soudure, notamment lors d'inclusions de résidus de carbones provenant de ces laques résistantes à haute température. Des couches épaisses de laques peuvent empêcher la formation d'un cordon de soudure. Des résidus liquides ou des fluides qui recouvrent une surface sont également susceptibles d'empêcher une soudure. Le découpage Le processus de découpage se divise en 2 catégories : l'échauffement du front de découpage jusqu'à une température de sublimation ; la création d'un volume de matière fondue qui est éliminée par le gaz d'appoint. Les gaz d'appoint utilisés dans le découpage sont soit l'oxygène, soit l'azote pour une découpe sans oxydation. Fig. 3 : Technique médicale (endoscopie), géométrie de coupe complexe dans un tube d acier inoxydable à paroi mince. Pas d influence mécanique ou thermique. Epaisseur paroi : 0,15 mm Ø extérieur : 5,00 mm Bulletin SSC n 53, décembre 2006 17
Presque tous les métaux ainsi que les matériaux frittés ou de synthèse, les céramiques, les nitrures de silicium, saphirs et diamants peuvent être découpés par laser. Les découpes sont réalisables dans des épaisseurs allant de quelques centièmes à dix millimètres, selon les caractéristiques des matériaux. Le découpage laser n'exigeant pas d'outillages coûteux, il convient aussi bien aux prototypes qu'aux séries. Nos centres d'usinage sont équipés de telle manière qu'ils permettent de Il est important d'aspirer les poussières et les fumées, surtout lorsque l'on découpe des alliages pouvant générer des émanations toxiques, notamment le Cuivre au Bérylium ou le fluor dans certains plastiques. Fig. 5 : Industrie chimique, filtre de fragmentation. Matière : Inox Epaisseur paroi : 1-5 mm Ø Trou :0,5 mm Nombre de trous : 1,500 Actuellement la technologie laser permet des perçages extrêmement petits, à partir de 10 µm de diamètre pour de minces feuilles de métal. Les trous de petits diamètres sont percés avec une seule impulsion ou plusieurs impulsions successives. Les diamètres plus importants sont obtenus par interpolation. Le marquage Fig. 4 : Technique médicale (cardiologie, Stents). Ø extérieur :1,75mm Epaisseur : 0,1 mm Largeur des bras : 0,08 mm Matière : 1,4441 La qualité de la découpe dépend du matériau ainsi que de son épaisseur. L'état de surface correspond généralement à un N7-N8. La découpe présente une légère conicité de 1-5%, selon la distance focale, la nature des matériaux et leurs épaisseurs. Le marquage de la pièce se fait directement par le rayon laser focalisé. Grâce à sa facilité d'adaptation à diverses tâches, il offre de nombreuses possibilités d'application dans les productions industrielles. Des numéros consécutifs, des codes à barres déchiffrables automatiquement, des logos, des schémas peuvent être marqués sur des étiquettes ou directement sur la pièce. Le perçage Les caractéristiques du perçage laser sont une grande vitesse alliée à un usinage presque dépourvu de contraintes mécaniques, un angle d'inclinaison pouvant aller jusqu'à 25% par rapport à la surface et une conicité de perçage adaptable au travers des paramètres et du faisceau laser. Par un choix adéquat du procédé en fonction du matériau et un réglage approprié des paramètres laser, il est possible d'atteindre une bonne rentabilité. Presque tous les matériaux sont susceptibles d'être percés par laser. Fig. 6 : Boîte de montre. Branche de lunette. Tube de stylo. Les procédés tels que le marquage par étampage, par attaque chimique ou la gravure mécanique impliquent des frais et une usure d'outillages, demandent une attention soutenue et réclament sou- 18 Bulletin SSC n 53, décembre 2006
vent une surveillance et un contrôle. A l'inverse, le procédé laser offre un marquage totalement automatique, sans effort mécanique ni usure. Pour ces procédés on utilise des lasers Q-switchés qui permettent de fractionner le faisceau en courtes impulsions (200 500 ns) et d'émettre à une fréquence pouvant aller jusqu'à 50 khz. Grâce à sa haute densité d'énergie, une impulsion unique peut colorer localement presque n'importe quel matériau, soit par sublimation, soit par fusion ou encore par réaction thermique. Le déplacement du faisceau se fait au moyen d'un galvanomètre à miroirs, pilotés par microprocesseur. La rapidité d'orientation des miroirs permet d'atteindre une vitesse de positionnement maximum de 6 m/s et une vitesse d'écriture pouvant atteindre 280 caractères par seconde. La précision de déplacement du faisceau est d'environ ± 25 µm. Littérature : Herziger/Loosen Wekstoffbearbeitung mit Laserstrahlung, Grundlagen, Systemen, Verfahren Hanser-verlag Laser Automation Gekatronic SA Avenue L.-J. Chevrolet 12 CH-2300 La Chaux-de-Fonds Tél. +41 32 925 99 00 Fax +41 32 925 99 09 www.laser-automation.com Bulletin SSC n 53, décembre 2006 19