La découpe laser est devenue une méthode de fabrication largement répandue peu après l'invention du laser dans les années 1960. C'est aujourd'hui une technique de fabrication courante, utilisée pour la découpe d'un grand nombre de matériaux, notamment les plus difficiles à découper. La découpe laser détient actuellement la plus grande part de marché dans le traitement des matériaux par laser.
La découpe laser peut prendre plusieurs formes, notamment la découpe par fusion, la découpe par sublimation, la fissuration sous contrainte thermique, le traçage, l'ablation photochimique ou la découpe à froid. Elle peut être réalisée grâce à différentes techniques faisant appel à différents types de laser (pulsé ou continu à différentes longueurs d'onde), niveaux d'énergie et utilisation ou non d'un gaz d'assistance. L'avantage de la découpe laser par rapport aux méthodes mécaniques et thermiques classiques réside dans la forte localisation spatiale et temporelle de l'interaction laser-matière, qui confine le dépôt d'énergie dans un volume très réduit et permet ainsi des vitesses de chauffage et de refroidissement très élevées, offrant ainsi une résolution et une précision optimales, comme illustré aux figures 1 [1] et 2 [2]. Voici quelques-uns de ses avantages :
- Procédé sans contact et ne nécessitant aucun serrage de la pièce, évitant ainsi la contamination du matériau et les dommages mécaniques dus au serrage et évitant l'usure de l'outil et les coûts associés.
- Facilité d'automatisation avec commande numérique par ordinateur (CNC) et traitement robotisé, capable de découper des formes complexes.
- Petite taille de spot (entaille étroite) et zone affectée par la chaleur minimale qui offrent une grande précision géométrique.
- La vitesse de coupe élevée offre un rendement de production élevé.
- Capable de couper presque tous les types de matériaux.
- Un processus silencieux et propre comparé aux méthodes traditionnelles. Dans certains cas, aucun post-traitement n'est requis.
Fig. 1. Exemples de traitement laser sur verre avec un laser ns (UV) de 266 nm (côté gauche) et avec un laser 100 fs de 780 nm (côté droit).
Fig. 2. Tôle découpée au laser picosecondes.
Nombre de ces avantages sont particulièrement utiles pour la fabrication de matériaux médicaux tels que les stents coronaires (voir Fig. 3 [3]). La découpe laser est aujourd'hui l'une des principales technologies de fabrication utilisées pour la fabrication de stents coronaires. C'est d'ailleurs la méthode la plus efficace pour leur traitement par rapport aux méthodes traditionnelles. Les stents sont des dispositifs utilisés en clinique pour élargir la lumière au sein de la lésion et fluidifier la circulation sanguine, au lieu d'éliminer les cellules musculaires qui s'accumulent dans les vaisseaux sanguins. Les tailles typiques des stents utilisés en pratique clinique sont de 2,5 à 4,0 mm de diamètre et de 8 à 38 mm de longueur. L'épaisseur de la paroi est de 80 à 100 µm et la largeur de l'entretoise est de 80 µm, comme illustré à la Fig. 4 [4]. Par conséquent, une grande précision est essentielle pour la fabrication des stents, et la précision dimensionnelle est un facteur crucial pour l'intégration d'une plateforme de découpe.
Fig. 3. Stent coronaire.
Fig. 4. Images SEM de la découpe laser à fibre après (a) l'échantillon prototype et (b) la surface latérale.
De nombreux types de laser, tels que le laser Nd:YAG, le laser à fibre et le laser à disque, peuvent être utilisés pour la fabrication de stents. Les lasers à longue durée d'impulsion présentent un temps d'interaction laser-matière important, ce qui crée une large zone affectée thermiquement. Les lasers à courte durée d'impulsion, comme les lasers picoseconde et femtoseconde, quant à eux, ne présentent aucune zone affectée thermiquement, voire une zone minimale, offrant ainsi la meilleure qualité pour la fabrication de stents. La découpe de stents est un processus très délicat en raison de sa conception complexe et de sa forme miniature. Les lasers à courte durée d'impulsion, à faisceau de haute qualité et dotés de platines à haute résolution et précision constituent la meilleure option. Des stents de haute qualité doivent présenter les caractéristiques suivantes :
- Largeur de trait étroite et constante
- Absence de zone affectée par la chaleur et de dommages sur la paroi arrière
- Bords coupés lisses et nets, sans scories ni couches de refonte
- Haute précision géométrique
La production de stents coronaires humains exige non seulement une grande précision géométrique, mais aussi des finitions de surface de haute qualité. Par conséquent, des procédés de post-traitement tels que l'électropolissage, le décapage à l'acide et la gravure douce sont nécessaires.
Les machines de découpe laser actuelles offrent une grande polyvalence. Ces systèmes intégrés sont capables d'utiliser plusieurs sources laser, telles que les lasers à fibre haute performance, les lasers picosecondes et les lasers femtosecondes. Ils peuvent également utiliser différents types de têtes et de largeurs de découpe laser, et sont capables de découper à sec et à l'eau. Ces machines peuvent être utilisées pour découper les métaux, les semi-conducteurs et les diélectriques. Leur polyvalence en fait des options très rentables. Elles sont également équipées de divers mécanismes de sécurité, notamment des portes de sécurité et des arrêts d'urgence.
Les machines sont conviviales et faciles à configurer. Nombre d'entre elles sont équipées d'écrans tactiles et de joysticks pour un contrôle manuel. Leurs interfaces intuitives permettent une personnalisation selon les besoins de l'utilisateur. La plupart des systèmes sont équipés d'un logiciel convivial prenant en charge la plupart des formats de données industriels. Certains sont même dotés d'une fonction autofocus.
En résumé, la découpe laser est une méthode de pointe, très polyvalente et économique pour le traitement des matériaux. Les machines de découpe laser offrent une précision supérieure à celle des machines mécaniques traditionnelles et réduisent le risque de contamination. Largement utilisé depuis des décennies, le système de découpe laser a connu des avancées technologiques qui ont accru son efficacité et sa précision ces dernières années, le transformant en outil de production manufacturière de pointe.
Référence:
[2]. http://optics.org/article/39899
[3]. http://www.sciencedirect.com
[4]. Chen et al., Material Transactions 53, 2023 (2012).