Analyse technique du forage au laser

  11 Aug , 2020         Chris         8515

 Les demandes de forage représentent environ 5 % du marché total des applications de traitement des matériaux laser. Les gains de productivité ont mené à plusieurs stratégies de forage liées aux lasers (forage chaud et ablatif), au traitement des faisceaux, à la spectrophotométrie et au traitement des pièces de travail, qui ont tous contribué à l’efficacité globale des processus et aux gains de productivité. 

  Les applications nécessitant une perforation comprennent des trous de refroidissement dans les moteurs à réaction ou les turbines à gaz, des trous de lubrification dans les composants du groupe motopropulseur, des trous de buse d’injection, des trous de roulement d’air et de buse de douche, etc. Il y a également des trous dans les passoires, les écrans et les séparateurs de groupe motopropulseur, les installations pour la nourriture et les produits chimiques, et les évents dans les coulées. 

  Les trous aveugles sont utilisés dans les aiguilles chirurgicales et dans le stade prédécoupé utilisé pour segmenter les matériaux fragiles, qui est maintenant la norme dans la fabrication de tiges de raccordement, les roulements et les céramiques, ainsi que les substrats de saphir. D’autres applications incluent des fosses de stockage d’huile ou des implants médicaux pour la lubrification de surface, et les marchés émergents pour le traitement de contact des cellules solaires cristallines ou des semi-conducteurs. Dans ce papier, le diamètre du trou à travers est entre 0,01 et 1,5 mm, et le rapport profondeur-diamètre entre la profondeur et le diamètre est entre 1 et 30.Selon l’application, les trous ont différentes formes géométriques, allant des cylindres aux cônes, rainures, ou des formes spécifiques. 

  La tâche principale à laquelle nous sommes confrontés aujourd’hui est de combiner une productivité élevée avec la demande croissante de tolérances géométriques plus élevées, tout en réduisant les effets secondaires dans le traitement. La technologie et la stratégie appropriées peuvent être dérivées en partie de la figure 1 a) et de la figure 1 b). Il ressort clairement de ces chiffres qu’il y a des zones d’application où très peu de trous sont forés par pièce de travail et où le temps de forage est très court, ce qui est assez difficile du point de vue de l’ingénierie des systèmes pour se nourrir et positionner. D’autre part, il est nécessaire d’adopter une stratégie de forage efficace dans le traitement des trous chronophages avec un rapport de profondeur-diamètre élevé, parce que des centaines de trous sont forés dans chaque pièce. 

  Le forage au laser industriel peut être divisé en monopulse ou en punch, en punch ou en poinçon en spirale. Des lasers à l’état solide pulsés ou des lasers à fibres modulées/pulsées sont utilisés dans ces applications avec des intervalles d’impulsions généralement entre les microsecondes (impulsions thermiques) et les picosecondes (impulsions non thermiques). En règle générale, les trous ayant des exigences de qualité inférieures et des ratios de profondeur-diamètre plus élevés sont habituellement traités à l’aide d’impulsions thermiques. Un laser à lampe peut fournir de telles impulsions avec un taux typique de répétition d’impulsions en dessous de 5kHz.Trous de haute qualité peuvent être usinés par laser à impulsion courte avec une fréquence de répétition de plus de 100kHz.        
 

  La perforation « boucle » couche par couche à haute vitesse est devenue de plus en plus populaire avec les diodes semi-conducteurs à haute luminosité qui pompent les lasers à semi-conducteurs à semi-courant ou les lasers à fibres en mode cw à l’aide de technologies avancées de direction de faisceau comme des éléments optiques rotatifs à précision rapide ou des oscillateurs pour le traitement de matériaux minces de moins de 1 mm d’épaisseur. Mais ces perforations ne seront pas discutées en détail dans cet article. 

  Pour tous les processus de poinçonnage à chaud, la productivité doit compromettre la qualité, en particulier dans le cas d’effets secondaires possibles des effets de la chaleur (tels que la refonte et le microcraquage). Les effets de la forme du pouls et de la modulation des impulsions sur l’efficacité et la qualité de la perforation ont été étudiés. Les résultats de ces enquêtes montrent clairement qu’il y a place à l’amélioration du poinçonnage à chaud. 

Poinçonnage monopulse

  Les trous de diamètre compris entre 0,015 et 1,2 mm peuvent être usinés à l’aide d’une lampe pompée impulsion industrielle Nd:YAG laser à l’état solide avec une valeur M2 entre 3 et 60.Figure 2 montre un diagramme de plage qualitative, compte tenu de la productivité en fonction du rapport profondeur-diamètre et l’ouverture. Lorsque le rapport profondeur-diamètre est de 10, il a été marqué dans la figure. La limite de productivité du laser à haute fréquence est indiquée par la fréquence de répétition des impulsions existante. L’illustration a) de la figure 2 montre un filtre de véhicule en acier inoxydable de 0,5 mm d’épaisseur avec jusqu’à 1 200 trous de 0,05 mm de diamètre. Les trous sont usinés en 2 secondes. Cette productivité est réalisée sur la prémisse d’un arbre en rotation rapide et d’autres moyens auxiliaires (tels que les crochets) pour atteindre la précision géométrique d’usinage de trou répété et éviter les bavures. Illustration b) est une pièce de machine à café en acier inoxydable d’un diamètre de trou de 0,25 mm (rapport profondeur-diamètre de 2,5), forée à une vitesse de 30 trous par seconde. Illustration (c) montre un anneau de piston avec des trous de 0,7 mm de diamètre usinés à 30 trous par seconde à l’aide d’un laser de 500 watts (puissance de pointe pulsée de 30 kW). Les tolérances typiques varient de 5 % à 10 %.