Microusinage par laser impulsions ultrabrves hautes cadences Charly
Micro-usinage par laser à impulsions ultra-brèves hautes cadences Charly Loumena – Ingénieur R&D JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 30 Avril 2009
Sommaire 2 1. Présentation du centre ALPh. ANOV 2. Introduction sur l’ablation laser et le micro-usinage 3. Usinage sous atmosphère contrôlée 4. Usinage par laser picoseconde haute cadence JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 30 Avril 2009
ALPh. ANOV Centre Technologique optique et lasers Association Loi 1901 • Outil structurant de la filière optique en Aquitaine (Pôle Route des Lasers) Au service des entreprises et des laboratoires • Inscrit au Contrat de Projet Etat/Région 2007 -2013 • Missions : aide aux entreprises/activités en création, recherche technologique et transfert, image technologique du territoire • Activités : études et projets collaboratifs (FCE, ANR, Europe, Région) • Personnels : 14 salariés + 3 MàD + 10 stagiaires • 700 m² dont plateaux techniques mutualisés (sur Univ. Bordeaux 1) • Accueil entreprises (3) et Laboratoires (2) • Label CRT et habilitation CIR 3 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 1. ALPh. ANOV – 30 Avril 2009
3 Axes d’excellence • Sources Lasers et Applications • Développement Optique, imagerie, Tera. Hertz • Procédés Lasers, Micro-usinage 250 µm 4 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 1. ALPh. ANOV – 30 Avril 2009
Procédés Lasers, Micro usinage • Réalisation d’objet(s) dont les dimensions, les tolérances ou la zone affectée sont à l’échelle du micron (µm-mm) • Des technologies matures (CO 2) aux dernières innovations (fibre, fs) • Large gamme de lasers Long. d’onde IR lointain à UV, durée d’impulsion nano à femtoseconde • Expertise indépendante • Études de faisabilité, prototypes, préséries • Tous matériaux : métaux, céramiques, polymères … ns fs cw Membre du Club Laser et Procédés 5 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 1. ALPh. ANOV – 30 Avril 2009
Ablation laser Principe • Phénomène de décomposition spontanée de la matière sous l’effet d’un rayonnement laser intense • Seuil : intensité minimum donnant lieu à l’ablation • Le processus d’ablation dépend du rayonnement, du matériau et de l’environnement Laser Irradiation Absorption Ablation Panache Zone affectée Cible Onde acoustique t 0 Échelle de temps 6 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 2. Ablation laser – 30 Avril 2009
Les différents processus d’ablation laser Taux d’ablation élevé – Effets collatéraux - ZAT Laser CO 2 IR µs-ms Laser YAG/fibre IR ns-ms Laser YAG 2 w Vis ns-ms Laser YAG 3/4 w UV ns Laser Excimer UV ns Laser Pico/Femto IR ps-fs Faible taux d’ablation – Précision – Faible ZAT 7 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 2. Ablation laser – 30 Avril 2009 Processus thermique Processus Photochimique Processus ultrabref
Exemples d’usinage Découpe (Tungstène) Gravure (Polyimide) Perçage (acier inoxydable) Document IREPA LASER Ablation sélective Texturation (Platine) Marquage intra-volume (PMMA) 8 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 2. Ablation laser – 30 Avril 2009
Exemples de produits et marchés concernés Source : Trackinside Air Liquide - AREVA - CEA LETI – CNES – DELPHI - DIOR – EDF – EADS – MONDRAGON – NXP - RHODIA - SAGEM – SANOFI STANTUM - SNECMA - ST Microelectronics – TEMEX – THALES VALEO 9 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 2. Ablation laser – 30 Avril 2009 Source : Rhodia
Usinage sous atmosphère contrôlée Problématique Effets indésirables • Redépôt localisé sur le pourtour de la zone usinée (pulvérulent ou fondu) • Apparition de stries sur les chants de l’usinage • Modification physico-chimique de la surface : oxydation, nitruration … 10 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 3. Atmosphère contrôlée – 30 Avril 2009
Usinage sous atmosphère contrôlée Problématique Phénomènes à l’origine • Expansion du panache • Confinement sous air ambiant • Interactions chimiques • Formation de plasma • Claquage et filamentation • Phénomène d’écrantage 1000 mbar 11 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 3. Atmosphère contrôlée – 30 Avril 2009 Air 10 mbar
Montage expérimental Usinage sous vide ou atmosphère contrôlée Mesure de la pression Pompage Admission du gaz 13 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 3. Atmosphère contrôlée – 30 Avril 2009
Résultats (1/3) Effet de la pression ambiante • Perçage par trépanation : acier inoxydable, 100 k. Hz, 10 µJ/imp, 500 fs @1030 nm 0, 05 mbar 14 5 mbar JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 3. Atmosphère contrôlée – 30 Avril 2009 1000 mbar
Résultats (2/3) Effet de la nature du gaz • Perçage par trépanation, acier inoxydable, 100 k. Hz, 10 µJ/imp, 500 fs @1030 nm Air 1000 mbar 15 Hélium 1000 mbar JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 3. Atmosphère contrôlée – 30 Avril 2009
Résultats (3/3) Effet du taux répétition • Perçage par trépanation, acier inoxydable, 10 k. Hz et 100 k. Hz, 10 µJ/imp, 500 fs @1030 nm 10 k. Hz Air 1000 m. Bar 16 100 k. Hz Air 1000 m. Bar JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 3. Atmosphère contrôlée – 30 Avril 2009
Usinage haute cadence Nouvelles sources • Sources développées par AMPLITUDE SYSTEMES (Pessac) • Nouvelle technologie de laser à fibre ps-fs • Spécifications techniques : 18 S-Pulse HP Tangerine sp Tangerine fs Type de source Crystal (Yb: KGW) Fibre Puissance moyenne 4 W 20 W Durée d’impulsion 500 fs 10 ps < 700 fs Energie par impulsion [0 – 1] m. J 10 µJ Cadence de répétition [1 – 100] k. Hz 2 MHz JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 4. Laser picoseconde – 30 Avril 2009
Résultats Molybdène S-Pulse HP (500 fs) à 100 k. Hz 3 µJ/impulsion • Débit d’ablation = 340 000 µm 3/s • Débit par impulsion = 3. 40 µm 3/imp 19 Tangerine (10 ps) à 2 MHz 3 µJ/impulsion • Débit d’ablation = 520 000 µm 3/s • Débit par impulsion = 0. 26 µm 3/imp JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 4. Laser picoseconde – 30 Avril 2009
Application possible des très hautes cadences Micro-texturation de silicium : « Black Silicon » Source : Thèse J. E. Carey • Micro-texturation par laser femtoseconde sous gaz SF 6 • Diminuer la réflectivité du silicium • Nécessite entre 600 et 1500 impulsions par point • Utilisation de très hautes cadences => Diminution temps d’usinage • Autre application : « Edge isolation » de cellules solaires 20 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 4. Laser picoseconde – 30 Avril 2009
Conclusion et perspectives Usinage sous atmosphère contrôlée • Diminution de redépôt autour de la zone usinée (bourrelet) • Chant d’usinage plus lisse à faible pression • Chant d’usinage plus lisse sous gaz inerte (hélium) • Haute cadence améliore la régularité de la coupe Usinage avec laser picoseconde à forte cadence • Débit de matière plus important en picoseconde • Débit par impulsion plus faible en picoseconde • Meilleur contrôle de la profondeur usinée • Applications dans la découpe ou gravure de films minces 21 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 5. Conclusion – 30 Avril 2009
Remerciements • Le Conseil Régional d’Aquitaine, l’État Français et l’Union Européenne pour le soutien financier aux travaux présentés Contacts • Pour toute information : info@alphanov. com Tel : +33 (0)5 4000 6410 Fax : +33 (0)5 4000 6407 • Adresse: ALPh. ANOV CS 60002, 33403 Talence Cedex FRANCE 22 JPU’ 2009 – Micro-usinage laser – 30 Avril 2009
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