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L'usinage des matériaux composites au laser

LASYS 2012 : le laser offre d'énormes potentiels pour la découpe, le perçage et le soudage des plastiques à renfort fibre


23.01.2012 Stuttgart

L'usinage et la transformation des matériaux composites, spécialement des plastiques à renfort fibre de carbone (PRFC), représentent un défi particulier. Ils sont souvent le plus grand obstacle au remplacement des matériaux métalliques dans la production en grande série. Le laser pourrait apporter la solution technique. LASYS, le salon professionnel international de l'usinage des matériaux par laser, fera le point sur l'état de l'art du 12 au 14 juin 2012 à Stuttgart.

À l'inverse des métaux, les matériaux composites sont hétérogènes au sens physique du terme, c'est-à-dire non miscibles. Or, ce sont justement ces propriétés différentes recombinées dans un nouveau matériau qui sont recherchées. Toutefois, cette hétérogénéité rend malaisés l'usinage et la transformation, comme l'explique Thomas Graf, le directeur de l'IFSW (Institut für Strahlwerkzeuge), l’institut pour les outils laser de l’université de Stuttgart : « Elle influence d'une part la propagation du rayon laser, d'autre part la conduction thermique est très anisotrope et les paramètres déterminants pour l'ablation de matière sont très disparates. » La conséquence : en cas de mauvais pilotage du processus, la conduction thermique élevée des fibres carbones dans le renfort et les propriétés très différentes des matériaux en contact risquent fortement d'endommager la matrice en plastique. Ces aspects fondamentaux sont étudiés à l'IFSW dans le but de développer des lignes directrices pour la bonne conduite du processus. Thomas Graf précise : « Ces lignes directrices constituent un enjeu essentiel pour l'élaboration de dispositifs laser appropriés. Elles comprennent en particulier une vitesse d'avance très élevée, une précision élevée en même temps qu'une plage dynamique élevée, et un positionnement précis du foyer du laser. »


Michael Nagel, le directeur technique de Laserline GmbH de Mühlheim-Kärlich, ajoute : « Le défi de l'usinage et du traitement au laser est d'atteindre un rendement surfacique élevé en même temps qu'un apport d'énergie homogène, par exemple pour les éléments de grande taille en usage dans l'industrie aéronautique ou pour les tubes sans fin dans l'industrie onshore ou offshore ».

Selon lui, le principal avantage du laser serait le traitement efficace et doux des matériaux composites à renfort fibre et à matrice thermoplastique en règle générale proposés sous forme de nappe, en une seule opération et sans apport de matière. En revanche, les duroplastiques exigent des résines époxy spéciales qui sont injectées dans un moule à une température d'environ 400° C et une pression de 20 bar dans des autoclaves à air chauffé spéciaux pour la polymérisation. Pour le traitement des matériaux composites, Laserline utilise surtout les lasers à diode très efficaces avec une puissance atteignant 15 kilowatts actuellement et des optiques spéciales. « Ces lasers sont suffisants même pour les foyers de grande dimension pour les nappes larges et fournissent une énergie homogène pour le processus de soudage. »

Les propriétés différentes au sein des matériaux composites sont conditionnées par « les propriétés optiques et thermiques très différentes de la matrice et du renfort qui entraînent des résultats d*usinage très irréguliers lors du traitement avec des lasers à émission continue », confirme à l'unisson Wolfram Rath, le Product Manager pour les sources laser chez Rofin-Sinar Laser GmbH de Hambourg. Dans cette situation, des procédés avec un temps d'interaction court pourraient être la solution : « Ils pourraient être réalisés soit en réduisant suffisamment la durée d'impulsion du rayon laser ou en accélérant la vitesse d'usinage jusqu'à ce que le résultat voulu soit atteint ».

Les matériaux composites comme le PRFC jouent un rôle de plus en plus important en raison de leur poids réduit – principalement dans les industries de mobilité (aéronautique, automobile, ferroviaire). Les constructeurs de sources laser ne veulent évidemment pas rester à l'écart de ce marché potentiel de milliards d'euros qui est en train de se former. Wolfram Rath précise : « Nous sommes très intéressés de pouvoir offrir des solutions pour l'usinage de ces matériaux ». Selon lui, son entreprise est en contact étroit avec de nombreux instituts de recherche du laser et suit de très près les ressources de traitement de ces matériaux. Les laboratoires internes de l'entreprise mèneraient également des expériences applicatives. « Nous utilisons pour ces expériences des lasers de tous types et longueurs d'onde, des lasers à solide ou des lasers à fibre aussi bien que des lasers CO2 ». Actuellement, le laser CO2 répond le mieux aux attentes. Les premiers résultats montreraient que sa longueur d'onde est particulièrement bien adaptée à l'usinage des matériaux composites avec un rayonnement en régime continu. D'autre part, des « lasers à impulsion ultra-courte pourraient aussi être intéressants pour ces applications, car en raison de l'impact d'une durée extrêmement courte, ils ne produisent pratiquement aucun dégagement de chaleur au sein des pièces à usiner ».

La maîtrise des bases de physique concernant les interactions entre le rayon laser et le matériau composite est la condition requise pour les processus de production de très haute qualité et pour les concepts de système appropriés. L'IFSW travaille à ces concepts en coopération avec des entreprises et d'autres instituts de recherche pour pouvoir proposer des nouvelles méthodes d'usinage des matériaux composites au laser. Rudolf Weber, responsable d'ingénierie de procédés à l'IFSW : « Actuellement, nous focalisons sur la découpe des PRFC, mais nous étudions aussi d'autres matériaux composites et leur fabrication ». Des conventions de coopération auraient déjà été signées avec les constructeurs automobiles Daimler, Audi et Porsche. « L'objectif serait », selon Graf, « d'augmenter très nettement la productivité et la qualité pour la production de pièces de carrosserie par rapport aux procédés d'usinage mécaniques traditionnels ».

Michael Nagel de Laserline voit des grands potentiels surtout dans l'aéronautique. En particulier, l'enjeu pour les grandes surfaces et les grandes structures des avions serait une rigidité élevée et un poids faible pour économiser de l'énergie. « Parallèlement, des nouvelles applications sont développées, par exemple des tubes résistant à la pression de longueur quasi illimitée pour la construction des pipelines et des canalisations, ou le renforcement de conteneurs sous pression et le renforcement de structures pour les carrosseries automobiles et pour les éoliennes ». La plupart des applications n'en sont toutefois qu'au stade de la recherche et développement, concède Nagel, mais il est certain que « le traitement au laser continuera de jouer un rôle clé dans ce créneau technologique, non seulement en raison de l'efficacité de process élevée par rapport aux types d'énergie alternative comme l'infrarouge ou l'air chauffé ».

Chez Rofin-Sinar, on n'a pas non plus dépassé le stade de la recherche. Wolfram Rath : « Il faudra attendre les résultats de recherche pour voir dans quelle mesure le grand potentiel de marché des matériaux composites s'ouvrira aux technologies optiques ». Pour Rath, les applications laser les plus intéressantes sont le sectionnement et le détourage de même que le traitement des surfaces. Par exemple, le laser pourrait être utilisé pour nettoyer et activer les surfaces avant les opérations suivantes. Rath conclut : « Actuellement, l'industrie du laser se trouve encore dans la phase de développement de ces procédés, de sorte qu'il est encore trop tôt pour une évaluation précise du marché ».

Près de 200 exposants sont attendus à LASYS 2012 du 12 au 14 juin à Stuttgart. Ils présenteront dans le hall 4 leurs innovations et perfectionnements techniques en matière de technologie laser. Les grands axes du programme d'exposition sont les applications laser et les solutions produit, les systèmes de fabrication au laser pour le macro- et le micro-usinage des matériaux ainsi que pour la mécanique de haute précision. Le LASYS s'adresse de manière ciblée aux utilisateurs et aux revendeurs du secteur de l'usinage des matériaux par laser. Avec son concept intersectoriel et interdisciplinaire, il est unique en son genre dans le paysage des salons.


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