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Le laser à fibre fait son trou dans l'industrie

Mirel Scherer

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- Rodées dans le domaine des télécommunications, les sources à fibre pénètrent dans les applications industrielles.

L'effervescence qui anime depuis une dizaine d'années le petit univers des lasers à solide ne risque pas de s'arrêter. La preuve : l'arrivée dans le monde des applications industrielles du laser à fibre. Précisons, pour les amateurs d'histoire, ce dispositif est aussi vieux que le laser lui-même. Inventé en 1963 par Elias Snitzer, il a fallu plus de deux décennies à cette technologie pour s'imposer commercialement. Popularisés par les télécommunications dans les années 1990, les lasers à fibre suscitent actuellement l'intérêt dans l'industrie.

Premier atout : la finesse du spot

Pour Éric Fogarassy, directeur de l'Irepa Laser, le centre de ressources technologiques sur les applications industrielles du laser, cette évolution ne fait que débuter, ce que confirmait d'ailleurs le Forum sur les lasers à fibre dans les applications industrielles de traitement des matériaux organisé par l'Irepa, en mai dernier, à Strasbourg.

Vieux routier du laser industriel, Gilles Arié, consultant et responsable des relations avec les industriels au Club Laser et Procédés, confirme ces propos : « Les qualités des lasers à fibre en font d'excellents candidats partout où l'on a besoin de finesse de spot [le diamètre de la tache sur laquelle est concentré le faisceau] », précise-t-il. Autrement dit, pour le marquage, la première utilisation commerciale de ces lasers. Ou la découpe. « Dans cette application, on peut espérer un remplacement avantageux du laser à CO2 dans les puissances faibles et moyennes, le transport du faisceau par fibre optique simplifiant considérablement la conception des machines de découpe, estime-t-il.

Par ailleurs, travailler à 1,07 µ offre un meilleur couplage avec les matériaux métalliques qu'à 10,6 µ. » Autre application intéressante : le microperçage avec la possibilité d'atteindre des rapports d'aspects inespérés avec les autres lasers.

Atout supplémentaire : la possibilité de travailler à 1,54 µ, c'est-à-dire en dehors de la bande d'absorption de la rétine, en fait un laser aussi simple à mettre en oeuvre (quant à la sécurité d'utilisation) qu'un laser à CO2. Enfin, l'excellente qualité de faisceau permet un dispositif à balayage (scanner) sur de grandes surfaces de travail (plusieurs dizaines de centimètres) ce qui simplifie la conception des machines.

La gamme de sources très diversifiée, proposée aujourd'hui par les principaux constructeurs, se décline sous la forme de lasers à fibre monomodes, continus ou pulsés, et multimodes (qui combinent plusieurs sources monomodes pour assurer des puissances de plusieurs kilowatts).

Lasers monomodes ou multimodes

La première solution allie une excellente qualité de faisceau avec des coûts comparables à ceux de lasers classiques. Les lasers à fibre monomodes entrent ainsi en concurrence directe avec les lasers CO2, les Yag ou les lasers à diode. Quant aux multimodes, les constructeurs ont encore du pain sur la planche pour améliorer la qualité du faisceau et réduire les coûts, encore nettement plus importants que ceux de lasers classiques.

Reste que les premières applications industrielles validées dans le domaine de sources monomodes continues ou pulsées laissent prévoir une sérieuse confrontation technologique entre les nouveaux venus et leurs ancêtres. Ainsi, dans le domaine du prototypage rapide, la société française Phenix dévoilait au salon Euromold, en décembre 2003, la première machine de frittage de poudre céramique ou métallique dotée d'un laser à fibre de 50 ou 100 W.

Cerlase, une PME située dans le technopôle de Limoges, propose, elle, depuis cinq ans, des machines employant des lasers à fibre pour diverses applications de marquage par frittage de poudre. « L'avantage du laser à fibre réside pour nous dans la forme du faisceau qui améliore les performances de fabrication », indique José Daems, directeur des ventes de Cerlase. La société fournit des machines manuelles aux décorateurs, mais aussi des installations semi-automatiques ou des lignes robotisées dotées de sources à fibre de 10, 50 ou 100 W. Pour un prix s'échelonnant entre 50 000 et 150 000 euros.

Le constructeur de robots Kuka a mis au point un système de soudage à distance de pièces en aluminium ou en acier de carrosseries d'automobiles. Baptisé RoboScan, il est doté de lasers à fibre IPG de 2 kW. À l'université d'Osaka (Japon), on teste également avec succès des sources continues monomodes de 40 à 200 W d'IPG Photonics pour le soudage des métaux. Résultats : validation du soudage en profondeur dans l'acier inox 304 avec des densités de puissance de 3 x 107 W/cm2. Les possibilités de souder à des vitesses de 30 m/min dans l'acier de 300 mm d'épaisseur et 3 m/min dans l'acier de 800 mm d'épaisseur ont été aussi démontrées.

Au Japon toujours, chez Sunx, la vitesse de découpe de l'acier inox (0,23 mm d'épaisseur) avec un laser à fibre de 200 W a dépassé celle réalisée avec un laser CO2 de 2,3 kW : 150 m/min contre 140 m/min. L'écart s'est creusé encore plus avec l'apport d'un flux d'oxygène. Au Japon encore, Fine Device a mis au point un procédé industriel de soudage de tubes en plastique pour le transport du gaz. L'utilisation d'un laser monomode continu de 200 W d'IPG a amélioré la flexibilité des opérations de soudage de pièces variées.

Bientôt des sources de forte puissance

« En fonction des applications visées, et en particulier pour le marquage de précision, on peut avoir intérêt à travailler avec des lasers monomodes fonctionnant en régime pulsé », précise également Éric Fogarassy de l'Irepa. Les premières sources nanosecondes disponibles sur le marché fournissent des densités d'énergie de 1 mJ/impulsion, pour des durées comprises entre 20 et 200 ns et des taux de répétition de 10 à 100 kHz. Mitsubishi Cable Industries utilise ce type de sources pour des applications de microfabrication (perçage, gravure) dans différents matériaux.

La mise sur le marché de sources de forte puissance devrait intéresser, à terme, d'autres domaines industriels comme l'automobile, l'aérospatial, les chantiers navals... « La puissance de lasers à fibre monomodes continus s'est accrue considérablement ces dernières années », précise Éric Fogarassy. À l'origine de cette évolution : les deux principaux fabricants de sources, IPG Photonics et SPI, qui ont exploité des filons technologiques intéressants comme les nouveaux modes d'injection et des configurations de fibres originales. « Ces travaux ont permis d'accroître l'efficacité d'absorption de la pompe et le rendement d'émission des fibres tout en limitant les effets de saturation qui provoquent l'échauffement de la fibre », explique l'expert de l'Irepa. Ce qui ouvre la voie à des puissances de plusieurs centaines de watts, voire plus de 1 kW en fonction monomode avec une excellente qualité de faisceau.

IPG et SPI annoncent ainsi la mise sur le marché, à la fin de cette année, de lasers à fibre continus monomodes de 1 kW et le premier envisage même la disponibilité, en 2005, d'une source de 1,5 kW. Refroidis à l'air, ils présentent de très bons facteurs de qualité du faisceau (moins de 1,5 mm.mrad).

Où s'arrêtera cette course à la puissance ? « La limite théorique pour une fibre monomode serait d'environ 3 kW », indique Adrian Carter de Nufern, un fournisseur de lasers à fibre. Pour dépasser cette limite, les constructeurs, comme l'américain JDS Uniphase, étudient la fiabilité de modules industriels de forte puissance (5 kW) constitués de l'assemblage de plusieurs sources monomodes pompées par diode. Valentin Gapontsev, PDG d'IPG, annonce la disponibilité de sources de ce type d'une puissance de 10 kW en 2004, de 30 kW en 2005 et prévoit la mise sur le marché, à moyen terme, de systèmes continus de 100 kW. « Il faut cependant noter dans ce cas une dégradation notable de la qualité du faisceau », avertit Éric Fogarassy.

Une technologie qui connaît des limites

IPG a placé plusieurs systèmes multikilowatts de ce type dans des usines d'automobiles pour les tester sur des applications de découpe et de soudage des carrosseries. Mais ici, les lasers à fibre doivent faire face à une rude concurrence, celle des lasers à disque commercialisés par Trumpf et Rofin-Sinar, qui présentent une meilleure qualité de faisceau et des coûts moindres.

Ce rapide survol montre que les lasers à fibre s'imposent dans certaines applications industrielles mais connaissent, comme toute autre technologie, des limites. La principale étant le seuil de claquage dans les fibres et donc la puissance maximale extraite d'une fibre de très faible diamètre. Pour diminuer le risque, il faut coupler plusieurs fibres, mais on perd alors l'avantage intrinsèque de ces lasers : la qualité du faisceau.

Alors, est-il prudent d'attendre avant de s'équiper ? « Certes non, conseille Gilles Arié. Il vaut mieux se précipiter... lentement. » Et, surtout, analyser et définir ses besoins. Éventuellement avec l'aide d'un centre de transfert de technologie laser comme l'Irepa Laser ou d'un expert du Club Laser et Procédés...

QUELLES APPLICATIONS ?

- Marquage - Découpe - Frittage de poudre - Soudage métallique à distance - Microfabrication de précision (perçage, gravure)

QUELS AVANTAGES ?

- Faisceau de haute qualité - Durée de vie élevée - Simplification de la conception des machines - Qualité d'aspect dans la microfabrication inaccessible aux autres lasers - Facilité d'utilisation

ET DEMAIN...

- Vers des puissances de 30 kW (en multimode)- Vers des diodes de 20 W et de durée de vie supérieure à 100 000 heures

« AUCUN LASER N'EST LA PANACÉE. »GILLES ARIÉ CONSULTANT ET RESPONSABLE DES RELATIONS AVEC LES INDUSTRIELS AU CLUB LASER ET PROCÉDÉS

« Lasers à diode, lasers pompés par diode, lasers à disque, à fibre... Il y a de quoi se perdre dans cette avalanche de lasers à solide qui ont vu le jour, sur le plan industriel, au cours de la dernière décennie. Il serait injuste cependant d'établir une comparaison sur les simples aspects des caractéristiques optiques ou d'encombrement de ces sources. Chacun de ces lasers a, ou va trouver, des créneaux d'application où sa "supériorité" s'affirmera. Sans oublier les zones de recouvrement qui conduisent l'utilisateur à choisir son laser en fonction de critères qui lui semblent prioritaires (coût, encombrement, portabilité, etc.). Ainsi, les lasers à fibre apparaissent particulièrement intéressants dans toutes les applications qui exigent une très bonne qualité de faisceau, comme le marquage (qui a été la première application commerciale), la découpe, le soudage... Autre atout majeur : la fiabilité. »

74 millions de dollars

C'est la valeur du marché des lasers à fibre en 2003. Plus de la moitié des applications se trouve dans le traitement des matériaux. Le marché devrait atteindre 435 millions de dollars en 2007. Source : LaserFocusWorld

POUR EN SAVOIR PLUS

Site de l'Irepa www.irepa-laser.com Site du Club Laser et Procédés www.laserap-clp.com

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