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John LOPEZ, Président du Club Laser et Procédés, Ingénieur de recherche CELIA / ALPHANOV
La miniaturisation s’invite aujourd’hui dans tous les secteurs industriels majeurs. En effet, la plupart des procédésde fabrication développés pour le macroscopique sont transposés à l’échelle microscopique. Généralement, onparle de micro-usinage lorsque les dimensions, les tolérances ou la zone affectée sont à l’échelle du micron. Ondistingue les procédés d’usinage par enlèvement de matière (perçage, découpe, gravure, marquage en surfaceou en volume), les procédés de fabrication additive (rechargement, stéréo lithographie, frittage, polymérisation àdeux photons) et enfin les procédés d’assemblage (soudage, brasage). Nous discuterons ci-après les potentialitésdes lasers industriels travaillant par enlèvement de matière, notamment pour le micro-usinage des matériauxmétalliques. Nous présenterons également quelques applications impliquant les polymères ou les verres.
Le micro-usinage par laser et ses applications
L es possibilités offertes en termes d’usi-nage par une même machine laser et
la qualité d’usinage atteinte permettentde s’affranchir de nombreuses étapesd’usinage, de pré- ou de post-traitement,ce qui conduit ainsi à diminuer le temps etle coût de fabrication d’un produit donné.Par ailleurs, l’absence de contact entrel’outil et la pièce autorise l’usinage depièces très fragiles telles que des feuillardsou des couches minces. En revanche, lecontrôle de la zone affectée thermique-ment (ZAT) est en général un point critiquequi nécessite d’adapter le choix de lasource laser et les paramètres opératoiresde manière à maîtriser le processus d’inter-action laser-matière ainsi que les effetssecondaires induits.
Laser continu ou impulsionnel ?
L’interaction entre un rayonnementlaser infrarouge (IR) ou visible avec unmétal donne lieu à un processus ther-mique : absorption de l’énergie par lesélectrons, chauffage, diffusion ther-mique, fusion, vaporisation. Avec unrayonnement laser continu, la découpes’effectue généralement en utilisant ungaz d’assistance, injecté sous pression
dans la saignée, de façon co axiale par rapport au faisceau. Ce gaz a une actionmécanique et vient chasser le bain fonduet ainsi accélérer la découpe. Il peut également avoir une action chimique et inhiber une éventuelle oxydation de ladépouille. Ce procédé est utilisé par exem-ple pour la découpe de stents en acier inoxpar laser à fibre pour les applications enangioplastie. Il existe de nombreusesapplications similaires dans les domainesde la micromécanique et du médical.
Figure 1. Processus thermique lors d’un usinagepar un laser à impulsions longues (>> 1 ps).
Ces lasers continus peuvent être égale-ment utilisés pour réaliser un marquagesans gravure.
À l’opposé, l’utilisation d’un laser impul-sionnel permet d’accroître l’intensité surcible et de favoriser ainsi une découpe parfusion/vaporisation, voire directementune sublimation du métal. L’utilisation du gaz devient alors facultative. La pro-fondeur usinée à chaque impulsion estparfaitement contrôlée, l’usinage peutdonc être débouchant ou non (borgne).Le régime impulsionnel convient à la foispour des applications de découpe fine etpour des opérations de gravure, de mar-quage ou encore de perçage.
Les lasers à impulsions « longues »
Pour des impulsions dites longues (>> 1 ps), le débit matière et l’étenduede la zone affectée thermiquements’accroît avec la durée d’impulsion. Celas’explique simplement dans la mesureoù, plus l’impulsion est longue, plus lachaleur diffuse et affecte un grandvolume de matière. Par exemple, il estpossible de percer 4 mm de laiton en
une seule et unique impulsion, de durée1 ms et d’énergie plusieurs dizaines dePh
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Article disponible sur le site http://www.photoniques.com ou http://dx.doi.org/10.1051/photon/20126046
joules. Ainsi, avec un processus ther-mique, le débit matière est élevé mais leseffets collatéraux sont étendus (bavures,endommagement et dénaturation de lacible, délamination), de telle sorte quepour certaines applications, il est néces-saire de brider la puissance délivrée sur lacible pour limiter les effets thermiques etavoir une qualité de surface exploitable(figure 1). De plus, la finition de la piècerequiert en général un post-traitementd’ébavurage, de polissage ou de net-toyage. C’est le cas par exemple lors de lagravure de motif en bas-relief sur desmatrices d’emboutissage, des électrodesEDM ou encore des moules d’injectionplastique, qui s’effectue aujourd’hui parlaser nanoseconde (à solide ou à fibre), etqui nécessite fréquemment une opéra-tion de finition par microbillage ou parpolissage électrochimique pour avoir unétat de surface acceptable (soit une rugo-sité moyenne (Ra) inférieure à 0,3 μm).Pour ces opérations de gravure, le débitmatière est typiquement de l’ordre de 5 à 10 mm3/mn. Une autre application des lasers impulsionnels nanosecondesconcerne le perçage de silicium pour lescellules photovoltaïques à technologieEWT (emitter wrap through) ou MWT(metallization wrap through). Le perçagepermet de reporter le contact électriqueen face arrière et de limiter ainsi les zonesinactives sur la face avant. Dans ce cas pré-cis, le perçage s’effectue à la volée à unecadence de plusieurs milliers de trous à laseconde (diamètre 100 à 200 μm environ).
Pour une pièce donnée, il est possiblede prédire les zones susceptibles affec-tées par la chaleur en observant le tracé dela pièce. Ainsi, les zones à faible rayon decourbure ou les fines bandes de matièrevont concentrer l’accumulation de cha-leur et exacerber localement les effetsthermiques. Les bavures, déformations ouautres effets indésirables liés à la chaleurvont donc préférentiellement apparaîtresur ces zones-là. Il est donc importantd’optimiser la dynamique du déplace-ment du spot laser sur la cible de manièreà diminuer localement le temps d’exposi-tion de la matière au faisceau. Ainsi, pourdes travaux de découpe fine ou de gra-vure, il sera bien souvent préférable d’ac-croître la vitesse de balayage du faisceau
sur la cible, notamment par l’utilisation detêtes galvanométriques (dites « scanners »)ou de déflections acousto-optiques, et demultiplier le nombre de passages laserspour atteindre la profondeur usinée sou-haitée. La bonne gestion des effets ther-miques sur la cible est donc primordiale.
Micro-usiner les matériaux sensibles à la chaleur
La zone affectée thermiquement est un critère important lorsqu’il s’agit d’usi-ner des matériaux sensibles à la chaleurtels que des composites à matrices céra-miques (CMC) ou organiques (CMO). Eneffet, le laser est aujourd’hui utilisé pourle perçage, la gravure ou encore le déca-page de tels matériaux. Un choix judicieuxde la source laser et des paramètres opé-ratoires permet de minimiser les effets dedélamination et l’endommagement de lamatrice. Une application émergente parexemple est le micro perçage de bordsd’attaque de voilure, de soufflante oud’arrière-corps de moteur pour le secteuraéronautique. La multiperforation amé-liore à la fois l’aérodynamisme et l’émis-sion de bruits des pièces traitées. Pour destrous millimétriques avec un faible niveaude perforation, les lasers de perçageconventionnels (durée d’impulsion milli-seconde) suffisent ; en revanche pour destrous de plus faible diamètre ou pouratteindre une forte densité de trous, il estpréférable d’utiliser des lasers de gravure(durée d’impulsion nanoseconde), pourlesquels la quantité d’énergie requise(dose) pour percer un trou équivalentpeut être dix à vingt fois plus faible, et l’en-dommagement matière bien inférieur(figure 2).
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Figure 2. Multiperforation de trous de faible dia-mètre dans une plaque de carbone époxy.
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Cas particulier des polymèresPour le micro-usinage des polymères,
la problématique est toute autre car il est alors primordial d’éviter l’échauffe-ment du matériau pour en conserver sonintégrité, sa forme et ses propriétés. Unrayonnement laser ultraviolet (UV) inter-agissant avec un polymère absorbantdonnera un processus de décompositionphotochimique. Contrairement au rayon-nement IR, l’énergie de chaque photon UVest suffisante pour casser une liaisoncovalente. Au-delà d’un certain nombrede liaisons ainsi brisées, il y a expulsion dela matière. Plus le polymère absorbe,moins il y aura d’effets thermiques. Ce pro-cessus, dit de photoablation, est mis à profit pour des applications phares tellesque la chirurgie de la cornée en ophtalmo-logie (LASIK) ou le perçage de vias sur des circuits électroniques, mais aussi pour des applications plus confidentiellescomme la réalisation de trous calibrés surdes capteurs de gaz portables ou encorele perçage de cathéters en polymère. L’absorption des matériaux augmentegénéralement lorsque la longueur d’ondediminue, ainsi certains polymères quin’absorbent pas à 355 nm (laser YAG triplé)absorberont bien à 266 nm (laser YAG quadruplé). L’absorption d’un polymèrecommercial donné dépend principale-ment de sa formulation propre. Ainsi, le PIet le PEN s’usinent bien à 355 nm. À l’in-verse pour le PET, le PU ou le PS, l’ablationà 355 nm donnera des effetsthermiques et il faudra usiner à 266 nm pour atteindre unemeilleure qualité d’usinage.Pour les polyoléfines ou lePMMA, il sera préférable d’utili-ser une longueur d’onde pluscourte (193 nm) pour une qua-lité d’usinage optimale. La pré-sence d’additif (1 à 2 %), tel quedu noir de carbone par exem-ple, peut modifier sensible-ment l’absorption d’un poly-mère donné et le rendre plusabsorbant.
Ablation sélectiveL’ablation laser est un phéno-
mène à seuil, c’est-à-dire qu’ellen’apparaît qu’au-delà d’un cer-
tain seuil énergétique. En outre, la diffé-rence de seuil d’ablation entre les diffé-rents matériaux est bien plus marquéedans l’UV que dans l’IR. Ainsi, le seuild’ablation des polymères dans le domainespectral UV est dix à vingt fois plus faibleque celui des métaux, des verres, de lasilice ou du silicium ; il est donc possiblede réaliser l’ablation sélective d’unecouche de polymère sans affecter le subs-trat en verre sous-jacent par exemple. Ceprocédé est utilisé pour le perçage de viasen micro-électronique ou encore pour ledénudage de câbles électriques ou defibres opti ques.
Par ailleurs, les matériaux en couchemince (épaisseur << 1 μm) ont un seuild’ablation bien inférieur à celui du maté-riau brut (typiquement d’un facteur 10). Il est donc possible d’effectuer l’ablationsélective d’une couche mince (métalliqueou oxyde) sur un substrat métallique ouun verre, voire même un polymère. Ceprocédé d’ablation sélective est utiliséaujourd’hui dans le domaine du photovol-taïque pour les opérations de patter -ning sur les cellules solaires basées sur latechnologie couche mince (CIGS, Cd-Te,organique…). Bien entendu, la qualité durésultat et la robustesse du procédé pourune application donnée dépendent forte-ment de la longueur d’onde (IR, visible ouUV), de la durée d’impulsion (ns, ps ou fs)et du profil spatial du faisceau (gaussienou « top hat »). Pour les opérations de pat-
terning sur les écrans des smartphones etde tablettes, sur les écrans plats (TFT etLCD), sur les smart windows (opaques outransparents à la demande) ou sur l’élec-tronique organique (OLED et AMOLED),l’ablation sélective est obtenue par inso-lation laser UV (excimère).
L’intérêt des impulsions ultracourtes
Pour des durées d’impulsions infé-rieures à 10 ps l’homme de l’art parle d’im-pulsions courtes, voire ultracourtes. Unetelle durée d’impulsion est inférieure autemps caractéristique de diffusion de lachaleur pour la plupart des matériaux(figure 3). La matière est expulsée avantque la chaleur ne diffuse en dehors duvolume irradié. La matière ablatée em -porte donc avec elle l’excès de chaleur etles effets thermiques résiduels sur la ciblesont considérablement réduits par rap-port à des impulsions longues (figure 4). Latransition entre le régime thermique et le régime ultrabref se situe entre 1 à 50 psselon les matériaux.
La qualité d’usinage est optimale (fai -ble endommagement matière, précisionextrême), en revanche la quantité dematière ablatée par impulsion est faiblecomparativement à une impulsion ditelongue. Les lasers ultracourts industrielsactuels permettent de compenser effi -
cacement ce défaut grâce à untaux de répétition pouvant at -teindre plusieurs MHz et unepuissance moyenne de plu-sieurs dizaines de watt, voiresupérieure à 100 watts. Parexemple, des travaux récentsmontrent qu’il est possible deréaliser la gravure de cylindred’embossage en cuivre avec undébit matière de 20 mm3/minavec ce type de source. Entermes de qualité de surface, ilest possible de descendre à unerugosité moyenne (Ra) de 0,2voire 0,1 micron sur des alliages
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Figure 3. Phénomènes mis en jeu enfonction de la longueur d’onde dulaser utilisé pour l’usinage.
métalliques. Bien évidemment, gérer untel taux de répétition et une telle puis-sance moyenne demande un effort parti-culier sur la dynamique du scanner et lasynchronisation entre le scanner et le tirlaser, afin d’éviter les éventuels problèmesd’accumulation thermique dans la cible et d’assurer une excellente qualité d’usi-nage (figure 5). Par ailleurs, compte tenudes fortes intensités mises en jeu (1012 à1014 W/cm² sur cible), l’énergie requisepour amorcer l’ablation est bien inférieureà celle nécessaire avec une impulsionlongue. Ainsi, quelques μJ peuvent suffi-rent pour bon nombre d’applications demicro usinage.
Repousser les limites du possibleCette technologie ouvre la voie à de nou-
velles possibilités d’usinage jus qu’alorsirréalisables. Elle permet d’usiner avec pré-cision aussi bien les matériaux durs (dia-mants, nitrure de bore, carbures, saphir,alliages métalliques) que les matériauxsensibles à la chaleur (composites, poly-mères, tissus vivants, couches minces). Plu-sieurs applications industrielles ont puvoir le jour depuis 2 à 3 ans, telles que la découpe de pièces diverses pour lamicromécanique, la découpe de stents enpolymère biodégradable (PLLA) pour lemédical (figure 6), la découpe de céra-
mique PZT pour l’aéronautique, la textu-ration de cylindre sur moteur automobile,ou encore la gravure de pièces en saphirou céramique pour l’horlogerie.
Texturer et fonctionnaliser les surfacesCes lasers ultracourts permettent éga-
lement un vaste panel d’applications entermes de texturation ou de fonctionnali-sation de surfaces métalliques pour amé-liorer les propriétés aérodynamiques,esthétiques ou tribologiques, ou encoreles rendre super hydrophobes (lotus-like)ou super absorbantes à la lumière (blacksilicium, black gold). La texturation peutêtre obtenue par gravure directe, parinterférométrie ou par un effet de polari-sation (figure 7). Il est possible de créersimultanément deux niveaux de textura-
tion, l’un à l’échelle micrométrique et l’au-tre à l’échelle nanométrique.
Modifier la matière dans son épaisseurUne autre caractéristique des impul-
sions ultracourtes est la possibilité d’avoirune absorption non-linéaire locale dansdes matériaux a priori transparents (di -électriques, polymères). Cela est unique-ment possible car l’intensité lumineuse
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Figure 4. L’utilisation de lasers à impulsions ultracourtes permet de réduire les effets thermiques observésdans la matière.
Figure 5. Micro-perçage sur acier par lasers femto -seconde. Les impulsions ultracourtes évitent lesproblèmes d’accumulation thermique dans lacible et assurent une excellente qualité d’usinage.
Figure 7. Nanotexturations sur acier produites par laser femtoseconde polarisé. La polarisation modifiel’orientation de la texturation.
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Figure 6. Stent en polymère bio-résorbabledécoupé par laser femtoseconde.
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est très élevée et il existe une forte proba-bilité au point focal que plusieurs photonscumulent leur énergie et rendent locale-ment le matériau absorbant, on parle alorsd’absorption multiphotonique. Ce proces-sus non-linéaire confère la possibilitéunique de modifier la matière dans l’épais-seur du matériau, sans altérer la surface, demanière à générer localement une varia-tion de densité ou d’indice de réfraction(biréfringente ou non) (figure 8). Il n’y a pasfissuration dans la matière. Ainsi, on peutcréer un marquage en volume (par exem-ple un code DataMatrix) ou un guided’onde. La découpe du capot cornéen parlaser femtoseconde pour la chirurgieréfractive (dit FemtoLASIK) utilise un pro-cédé similaire ; dans ce cas, chaque impul-sion laser femtoseconde produit unebulle de gaz dans le collagène de la cornéeet la prédécoupe du capot est possible encréant un plan de bulles sous la surface.
Découper le verreLa découpe de verre est un sujet d’ac-
tualité, en particulier pour la découpe desécrans de smartphones ou de tablettes.Les techniques de découpes par scie dia-mantée ou par ablation laser génèrentune forte quantité de poussières et nesont pas toujours adaptées (faible rayonde courbure impossible par voie méca-nique et découpe par ablation laser troplente) ; par ailleurs le champ de coupe estrugueux et microfissuré. Par une mise en forme de faisceau spécifique, il est pos-sible de combiner la réalisation d’uneentaille de quelques microns en surfaceavec la réalisation de micro filaments (pro-duits par absorption non linéaire) prolon-geant l’entaille dans l’épaisseur du verre etpermettant un clivage ultérieur. Ce nou-veau procédé permet de s’affranchir despoussières d’ablation, d’améliorer la qua-lité de coupe et surtout d’atteindre desvitesses 10 à 20 fois supérieures à cellesobtenues par ablation laser seule.
Réaliser des structures multifonctionnelles3D dans la silice
Par ailleurs, des travaux récents ontmontré que la densification locale pro-duite au point focal du laser femtosecondedans de la silice accélère d’un facteur 60environ la gravure chimique par HF (5 %).
Il est donc possible d’insoler selon un motifdéfini dans la masse ou en surface et deréaliser ensuite une gravure chimiquesélective uniquement du volume dematière exposé au laser. Ce procédé degravure chimique assistée par laser estparticulièrement prometteur pour la réa-lisation de lab-on-a-chip pour le médical(analyse de sang, analyse ADN, etc.) et labiologie (analyse de toxicité, culture cellu-laire, etc.). Il permet aussi de réaliser descomposants multifonctionnels monoli-thiques combinant des fonctions opti -ques, mécaniques et de manipulation defluides.
Combiner qualité d’usinage et productivitéLes développements récents sur les tech-
nologies pico et femtoseconde permettentaujourd’hui de disposer de sources indus-trielles de forte puissance moyenne et àtrès haute cadence (kHz voire MHz), les-quelles arrivent même à surpasser en pro-ductivité les autres technologies laser
pour des applications de prédécoupe deverre ou silicium (scribing), de gravure(figure 9) ou de fonctionnalisation de sur-face (implants médicaux, pièces de mo -teur automobile), d’ablation sélective decouches minces ou encore de marquageintra-volume anti-contrefaçon sur flaconsde vaccin ou de parfum. Les chiffres sontéloquents puisqu’un code DataMatrix16×16 cellules se grave aujourd’hui enmoins de 100 ms, ce qui rend le procédécompatible avec les cadences requisespour le conditionnement de produitspharmaceutiques notamment. En revan -che, il est à noter que, contrairement auximpulsions lon gues pour lesquelles ledébit matière augmente avec la duréed’impulsion, le débit matière diminuegénéralement en passant du régime fem-toseconde au régime picoseconde ; cettedifférence d’efficacité entre les régimespico et femto dépend des propriétés dumatériau. Cette différence est faible dansle cas du cuivre mais importante dans lecas de l’aluminium, du molybdène ou dusilicium par exemple.
Ce qu’il faut en retenir…
Le micro-usinage laser est une solutiontechnologique en plein essor qui allie effi-cacement flexibilité et performances. Ilconfère la possibilité d’usiner un grandnombre de matériaux avec une parfaitemaîtrise de l’endommagement matière etune grande précision. Le micro-usinagelaser adresse aujourd’hui de nombreuxsecteurs applicatifs (médical, microflui-dique, micromécanique, aéronautique,horlogerie, optique, électronique, photo-voltaïque, automobile, e-mobilité, etc.) etse révèle particulièrement productif pourdes applications de gravure ou texturationde surface ou intra-volume. Les dévelop-pements récents en termes de technolo-gie laser permettent aujourd’hui d’usinerun matériau avec un minimum d’effetsthermiques et de préserver ainsi les fonc-tionnalités de la pièce. Si le choix de lasource laser est primordial, la qualité durésultat et le temps d’usinage dépendentfortement du procédé d’usinage, de lamise en forme du faisceau et du contrôlede procédé.
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Figure 8. Marquage intravolume diffractif dans unflacon de parfum en verre.
Figure 9. Gravure dans du molybdène par laserfemtoseconde à 2 MHz.
