7 faits sur le perçage au laser : quoi, travail, processus, applications

by

Qu'est-ce que le forage?

Le perçage fait référence à une méthode de coupe utilisée pour produire un trou ayant une section transversale ronde dans les solides. Le foret standard est généralement un outil de coupe rotatif fait de métaux durs. Comme alternative à la technique de forage standard utilisant le foret, il existe différentes méthodes avancées qui ont été inventées de nos jours pour faire face aux demandes industrielles.

Percage vibrant multi
Forage. Source de l'image: LES MITIS, Pourcentage vibratoire multi-matériaux MITIS, CC BY-SA 3.0

Qu'est-ce que le forage laser?

Le forage au laser fait référence à la méthode de formation de trous traversants, également connus sous le nom de trous «percés par percussion» ou de trous «sautés» à l'aide de lasers. Ceci est obtenu en focalisant de manière répétée un faisceau laser pulsé haute puissance sur un matériau comme le métal, l'alliage, etc.

Les trous générés par ce processus peuvent avoir un diamètre aussi petit que 0.002 pouce ou 50 micromètres. Le diamètre des trous peut être augmenté selon les besoins en déplaçant le laser autour de la circonférence du trou percé par percussion. Cette méthode est appelée «trépanage».

perçage laser
Perçage au laser. Source de l'image: TRUMPF GmbH + Co. KG, Lasertechnik06, CC BY-SA 3.0

Applications du perçage laser:

  • Le perçage au laser est une technique capable de produire des trous ou des trous à rapport hauteur / largeur élevé ayant un rapport profondeur / diamètre bien supérieur à 10: 1.
  • Les trous à rapport hauteur / largeur élevé forés à l'aide de lasers sont utilisés pour un certain nombre d'utilisations différentes telles que les trous de refroidissement des turbines aérospatiales, la galerie d'huile de certains blocs moteurs, les micro-vias de circuits imprimés et les composants de fusion laser.
  • Les fabricants de turbines pour la production d'énergie et la propulsion des aéronefs préfèrent fortement l'utilisation de lasers pour percer de petits trous cylindriques (d'un diamètre de 0.3 à 1 mm, généralement) à la surface de pièces en tôle, moulées et usinées à une température de 15– 90 °. Le perçage au laser peut produire des trous à des angles très faibles par rapport à la surface du matériau avec un taux de 0.3 à 3 trous par seconde. Cela a permis la formation de nouvelles conceptions, y compris des trous de refroidissement par film pour réduire le bruit, améliorer le rendement énergétique et réduire les émissions de CO et de NOx.
  • Les développements dans le processus d'utilisation du laser et les technologies de contrôle ont conduit à une augmentation considérable du nombre de trous de refroidissement présents dans les moteurs à turbine. L'utilisation accrue de trous percés au laser dépend d'un certain nombre de paramètres tels que la qualité des trous et la vitesse de forage.
Bloc-cylindres pour V6 Diesel
Laser a percé des trous sur un bloc moteur. Source de l'image: 160SX, Bloc-cylindres pour V6 Diesel, CC BY-SA 3.0

Comment fonctionne le processus de forage laser?

Les trous cylindriques sont percés avec des lasers généralement par le processus de vaporisation ou d'ablation et de fusion du matériau donné. Cela se produit en raison de l'absorption d'énergie fournie par un faisceau laser focalisé. La fusion d'un matériau nécessite un apport d'énergie d'environ 25% de celui nécessaire pour vaporiser le même volume de matériau. Pour cette raison, le processus de fusion est souvent préféré au processus de vaporisation.

Pour le forage au laser, la fusion ou la vaporisation peuvent être utilisées en fonction de plusieurs facteurs. La durée de l'impulsion laser et l'énergie sont des facteurs déterminants importants. La vaporisation ou l'ablation est préférée lorsqu'un laser Nd: YAG à commutation Q est utilisé pour le forage au laser. Lorsqu'un tube éclair pompé au laser Nd: YAG est utilisé, le processus d'expulsion de la matière fondue qui crée un trou à travers la fusion du matériau est favorisé.

Généralement, un laser Nd: YAG à commutation Q est livré avec

  • Un taux d'enlèvement de matière de quelques micromètres / impulsion,
  • Puissance de crête comprise entre une dizaine et des centaines de MW / cm2.
  • Une durée d'impulsion de l'ordre de quelques nanosecondes,

D'autre part, un laser Nd: YAG pompé par lampe flash est généralement livré avec

  • Une durée d'impulsion de l'ordre de centaines de microsecondes à quelques millisecondes,
  • Puissance de crête dans la plage inférieure à MW / cm2.
  • Un taux d'enlèvement de matière de dix à centaines de micromètres / impulsion.

L'ablation et l'expulsion de fusion peuvent exister simultanément pour les processus d'usinage par chaque laser. L'expulsion de la fonte se produit en raison de l'accumulation rapide de pression gazeuse ou de force de recul à l'intérieur d'une cavité formée par évaporation. Une couche fondue doit se générer et les gradients de pression affectant la surface à cause de la vaporisation doivent être suffisamment grands pour traverser les barrières de force de tension superficielle et éjecter le matériau fondu du trou, pour que l'expulsion de la matière fondue se produise.

Les expulsions fines et grossières de la matière fondue peuvent être fournies par un seul système et sont connues comme le «meilleur des deux mondes». L'expulsion fine de la matière fondue forme des caractéristiques de matériau avec une grande définition de paroi et de petites zones affectées par la chaleur. Alors que l'expulsion grossière de la matière fondue est capable d'enlever des matériaux rapidement sans beaucoup de précision de qualité et est utilisée dans le trépanage et le forage par percussion.

La température de pointe influence fortement la fonction de force de recul. La tension superficielle et les forces de recul sont égales lorsque la valeur de TCr est égale à la température critique en cas d'expulsion de liquide. Par exemple, l'expulsion de liquide du titane peut se produire lorsque la température dépasse 3780K au centre du trou.

Que sont les lasers Nd: YAG?

Nd : YAG (grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme) est un cristal moyen cristallin utilisé couramment dans les lasers à solide. Les atomes de néodyme Nd(III) sont triplement ionisés et jouent le rôle de dopant. L'ion dopant Nd(III) remplace environ 1 % des ions yttrium dans la structure cristalline du grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG). Ceci est possible car les deux ions sont comparables en termes de taille. Semblable aux ions chrome rouges dans un laser à rubis, l'ion néodyme Nd(III) est chargé de fournir l'action laser dans le Nd : laser YAG.

Powerlite NdYAG5
Laser Nd: YAG (grenat d'yttrium aluminium dopé au néodyme). source de l'image: Kkmurray, Powerlite NdYAG, CC BY 3.0

Comment fonctionne l'expulsion de la matière fondue?

L'expulsion de fusion et l'écoulement de la couche de fusion sont obtenus en utilisant les équations hydrodynamiques après avoir trouvé la pression de vapeur. Lorsque la pression de vapeur est fournie à la surface sans liquide, une expulsion de la matière fondue a lieu. Cela chasse le matériau fondu dans la direction radiale. Pour obtenir une expulsion très fine de la matière fondue, le profil d'écoulement à l'état fondu, en particulier la vitesse d'écoulement à l'état fondu au bord du trou, doit être calculé précisément.

Quels sont les facteurs affectant le front de vapeur de fusion et l'absorption d'énergie laser?

Le coefficient d'absorption d'énergie laser dépend principalement de:

• Longueur d'onde du laser utilisé.

• Type et composition du matériau cible.

Lorsque l'intensité du laser est élevée et que la durée de l'impulsion est courte, les variables d'état (y compris la vitesse d'ablation) du matériau au niveau du front de vapeur fondue subissent des changements discontinus à travers les couches de matériau.

Lisez aussi:

     

Laisser un commentaire