Un laser à haut rendement pour un traitement précis et économique des matériaux
Le micro-usinage, c’est-à-dire l’ingénierie de précision des microcomposants, promet une productivité accrue à moindre coût pour de nombreux secteurs. Son adoption a été facilitée par les progrès accomplis en matière de laser à impulsions ultracourtes (USP) et de technologies photoniques. Mais il reste des défis à surmonter pour obtenir une combinaison rentable entre précision élevée et rendement/productivité, tout en garantissant une qualité optimum. Le projet HIPERDIAS a été mis en place pour démontrer que le traitement des matériaux par laser USP permettait d’atteindre des niveaux de productivité, de précision et de qualité sans précédent (haut rendement). Le soutien de l’UE lui a permis d’intégrer tous les composants nécessaires dans une base machine stable, flexible et polyvalente, pour obtenir un laser femtoseconde de haute puissance, et de mettre au point un système de démonstration de 1 kW, testé et validé par les utilisateurs finaux. Grâce à cette technologie, le projet est allé au-delà du taux d’ablation souhaité pour le traitement du silicium et il a atteint la majorité des objectifs pour les indicateurs de performance clés concernant la découpe fine des métaux et le polissage des diamants.
Un système de traitement extrêmement avancé
L’objectif consiste à obtenir un taux de productivité élevé sans perdre en précision, ainsi qu’une qualité optimum sans compromettre la rapidité. Cela nécessite un laser femtoseconde de très haute puissance moyenne avec des paramètres de faisceau bien adaptés. Le laser doit tenir compte de la durée d’impulsion, de l’énergie de l’impulsion, du profil d’intensité et de la polarisation, et faire preuve de flexibilité au niveau de la production de faisceau. Le faisceau doit être appliqué sur la pièce à usiner d’une manière bien définie et spécifique à l’application, afin de pouvoir être divisé grâce à un élément diffractif, ou se déplacer rapidement grâce à un scanner ou à des modulateurs ultrarapides. Ces derniers s’avèrent nécessaires pour éviter l’accumulation de chaleur, qui dégrade la qualité du traitement. Pour y parvenir, le projet HIPERDIAS a combiné un système laser ultra-rapide de haute puissance de type Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) avec une machine de traitement adaptée pour le façonnage des diamants, la structuration 3D du silicium et la découpe fine des métaux. Le système a été testé pour trois applications cibles et il s’est avéré plus rapide que les techniques de pointe actuelles: il traite le silicium 3D et les diamants synthétiques polis 50 à 60 fois plus rapidement et coupe le métal avec précision 20 à 25 fois plus vite.
Un éventail d’applications
Les résultats d’HIPERDIAS peuvent être adoptés par tous les secteurs où la technologie laser est susceptible d’améliorer la qualité des produits tout en offrant de nouvelles solutions de production et des avantages en termes de coûts. «Le système HIPERDIAS aura un double impact: établir un leadership dans ce domaine passionnant et renforcer ainsi les entreprises européennes, tout en réduisant le coût de nombreux articles de la vie courante, comme les écrans de téléphones portables, pour les consommateurs», déclare Marwan Abdou-Ahmed, coordinateur du projet. La technologie peut être appliquée à toute une série d’applications, notamment aux dispositifs des systèmes micro-électromécaniques, aux pico-projecteurs et aux appareils médicaux. Elle s’avèrera également utile dans divers secteurs pour le micro-usinage de matériaux transparents, le perçage de buses et la structuration de grandes surfaces pour des applications super hydrofuges. De l’horlogerie à l’aéronautique en passant par la construction automobile, le projet HIPERDIAS a mis au point un système susceptible de rendre les processus de fabrication plus efficaces. Adapter cette technologie pour obtenir une énergie et une puissance de crête plus élevées, pourrait également profiter à de nombreuses applications scientifiques, telles que la spectroscopie et la protonthérapie. L’équipe envisage de disposer d’un système laser industriel femtoseconde de classe 1 kW d’ici trois à cinq ans. «HIPERDIAS a préparé le terrain pour rendre cette technologie possible, mais le système doit être développé davantage afin de gagner en rapidité et d’être en mesure de supporter les puissances plus élevées qui sont requises. Nous devons par exemple ajuster avec précision divers composants, notamment la distribution du faisceau de fibres et les scanners», conclut Marwan Abdou-Ahmed.
Mots‑clés
HIPERDIAS, micro-usinage, femtoseconde, laser, photonique, silicium, diamant, métaux, impulsion, optique
