Présentation
Auteur(s)
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Patricia LAURENS : Docteur de l’Université Paris VI - Chargé de recherche du CNRS au Laboratoire d’application des lasers de puissance – Unité mixte ETCA – CNRS (LALP)
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Catherine DUBOUCHET : Docteur de l’Université Paris XI - Ingénieur de recherche chez Peugeot-Citroën (PSA)
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Didier KECHEMAIR : Ingénieur de l’École polytechnique - Docteur de l’Université Paris XI - Chef du Département « espace et techniques avancées » au ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Ancien Directeur adjoint du Laboratoire d’application des lasers de puissance (LALP)
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Le laser utilisé comme outil pour induire des transformations dans les matériaux, notamment dans le domaine des traitements de surface, est une technologie innovante « jeune ». Si l’essentiel des idées d’utilisation des effets de l’interaction laser – matériaux sont avancées depuis près de vingt ans, leur mise en pratique sur des sites de production industrielle nécessite, d’une part d’améliorer la compatibilité de la technologie des sources et des systèmes avec les contraintes liées au monde industriel (fiabilité, maintenance, formation des équipes, baisse du coût des sources,...), et d’autre part de poursuivre les efforts en vue de la maîtrise des applications (connaissances des phénomènes de base, élaboration de cahier des charges de système laser, méthodes de contrôle et d’assurance qualité...). Enfin, le transfert nécessite également une adaptation et une maturation des acteurs industriels. C’est effectivement cette maturité de l’offre, des connaissances scientifiques et de la demande qui marque l’évolution actuelle de la diffusion des applications des lasers de puissance dans l’industrie.
Le marché mondial des ventes de sources laser, après une très forte croissance dans les années 80, se caractérise aujourd’hui par une stabilisation, qu’il convient d’interpréter comme un indicateur de maturité. Le marché des sources laser en vue d’applications industrielles aux transformations des matériaux ne représente que 20 à 25 % du marché total des sources ; néanmoins, il génère un marché de systèmes intégrant une source laser dont le volume est 4 à 5 fois supérieur. Les applications à la découpe, au perçage et au marquage sont les plus développées. Le domaine du soudage est actuellement celui pour lequel les efforts de transfert vers l’industrie sont les plus intenses. Les applications aux traitements de surface (hors marquage) ne représentent encore qu’un très faible pourcentage des installations industrielles mais leur potentiel de développement apparaît cependant important ; elles font l’objet de nombreuses recherches en laboratoire. Ces applications devraient en effet conduire à terme à une optimisation des propriétés des matériaux avec un coût d’élaboration modéré et à une optimisation des gammes de fabrication en profitant des capacités de traitements localisés pouvant intervenir en fin de gamme. Comme exemple de transferts industriels de traitements de surface par laser, on peut citer, entre autres, les traitements avec apport de poudre sur les encoches de chapeaux d’aubes de turbines [2] ou de sièges de soupapes pour moteur automobile [3]. Pour développer les applications des lasers de puissance aux traitements de surface, il apparaît nécessaire de poursuivre les efforts :
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en menant une recherche de base prenant étroitement en compte les enjeux et exigences industriels. Ces dernières peuvent être sévères si le traitement doit être réalisé en fin de gamme sur un produit à forte valeur ajoutée (exemple de la refusion des arbres à cames dans le secteur automobile pour lequel le laser se présente comme une alternative possible au procédé TIG) ;
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en informant les ingénieurs concepteurs que le succès du transfert de la technologie nécessite de prendre en compte, dès la phase de conception des pièces, les spécificités de la technologie laser.
Le présent article présente dans cet esprit un panorama des possibilités de traitements de surface par laser en insistant à la fois sur les recherches en cours et sur les possibilités d’applications connues dans différents secteurs industriels (aéronautique, automobile, construction mécanique,...).
VERSIONS
- Version courante de déc. 2017 par Armel BAHOUKA
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4. Traitements photochimiques
Un traitement photochimique (ou photolytique) est défini comme un processus dont la réactivité chimique résulte de perturbations des liaisons interatomiques dues à l’excitation des électrons par absorption d’au moins un photon. Cette absorption peut entraîner une modification de la réactivité du gaz (excitation électronique, dissociation, ionisation), du solide (ionisation de la surface, fragmentation) ou d’espèces adsorbées à l’interface gaz-solide (excitation électronique, ionisation). Ce processus nécessite des photons de forte énergie (domaine UV) et on utilise donc principalement des lasers à excimère (ou des lampes UV). L’avantage d’un processus photochimique par rapport à un processus thermiquement activé réside dans la possibilité d’une réactivité sélective (selon la longueur d’onde) sur une surface dont la géométrie est définie par la dimension de la zone éclairée sans effet thermique. Cette absence d’effet thermique permet de réaliser des motifs dont les dimensions sont de l’ordre du dixième de micromètre (en traitement thermique, dimensions minimales : quelques micromètres). Le principal secteur d’applications concerne la photoablation des polymères pour lesquels l’énergie des photons UV est de l’ordre de grandeur des liaisons dans les polymères [68].
L’application de traitements photochimiques à des matériaux inorganiques reste pour le moment limitée et ne concerne que la gravure et le dépôt LCVD à vocations microélectronique et optoélectronique. On peut ainsi citer l’étude des mécanismes de la gravure du silicium par le chlore [69] ou par XeF2 [70], du tungstène par NF3 ou de InP par CF3Br [71]. Pour les techniques de dépôt, l’utilisation de phénomènes photochimiques permet une meilleure résolution spatiale que des techniques pyrolytiques ; néanmoins apparaissent des problèmes liés à la pollution des dépôts par le carbone dans les dépôts métalliques à partir d’organométalliques gazeux. Il en résulte que les dépôts sont réalisés en associant à la réaction photolytique des effets pyrolytiques qui permettent également d’augmenter les vitesses de dépôt (faibles en photolytique). C’est par exemple le cas du dépôt épiaxial de silicium à partir de Si2F6 [72] ou de titane à...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - * - Laser Focus World « Annual review of the laser market » publié dans chaque premier numéro annuel.
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(2) - KERRAND (E.), CARIOU (F.) - Procédé laser de dépôt pour application à des aubes de turbines à gaz. - Bulletin de liaison no 9, éd. par le Club Laser de Puissance, p. 17 (1992).
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(3) - MIKAME (K.) - Application of laser material processing in Toyota Motor corporation. - Proceed. LAMP’92, vol. 2, Nagaoka – Japon, p. 947 (1992).
-
(4) - JENNY (S.) - Diode pumping expands market for solid state lasers. - Laser Focus World, p. 121 (juin 1994).
-
(5) - TÖNSHOFF (H.K.) et coll - Diode Laser for Materials Processing. - J. de Phys. IV, 4, Colloque C4, Supplément au Journal de Physique III, p. C4-59 (août 1994).
-
(6) - PROKHOROV (A.M.), KONOV (V.I.),...
ANNEXES
Club Laser et procédés (CLP) http://www.laserap-clp.com
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Centres de recherche publics
Cette liste n’est pas exhaustive.
Centre technique d’Arcueil (CTA) http://www.etca.fr
École Centrale Paris (ECP) http://www.ecp.fr
Commissariat à l’énergie atomique (CEA) http://www.cea.fr
Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis http://www.isl.tm.fr
Laboratoire de physico-chimie industrielle (LPCI) http://www.insa-lyon.fr/Laboratoires/LPCI
Équipe Mécasurf http://mecasurf.aix.ensam.fr
Irepa Laser http://www.irepa-laser.com
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Centres de recherche industriels
Cette liste n’est pas exhaustive.
Compagnie Industrielle des Lasers (Cilas) http://www.cilas.com
IS Groupe http://www.isgroupe.com
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