Micro-usinage par laser à impulsions ultra-brèves hautes cadences

1. Micro-usinage par laser à impulsions ultra-brèves hautes cadences Charly Loumena – Ingénieur R&D

2. Sommaire • Présentation du centre ALPhANOV • Introduction sur l’ablation laser et le micro-usinage • Usinage sous atmosphère contrôlée • Usinage par laser picoseconde haute cadence

3. ALPhANOVCentre Technologique optique et lasersAssociation 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 • 700m² dont plateaux techniques mutualisés (sur Univ. Bordeaux 1) • Accueil entreprises (3) et Laboratoires (2) • Label CRT et habilitation CIR

4. 250 µm 250 µm 3 Axes d’excellence • Sources Lasers et Applications • Développement Optique, imagerie, TeraHertz • Procédés Lasers, Micro-usinage

5. Membre du Club Laser et Procédés 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 (CO2) 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 … cw ns fs

6. Laser Irradiation Absorption Ablation Panache Zone affectée Cible Onde acoustique t0 Échelle de temps Ablation laserPrincipe • 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

7. Taux d’ablation élevé – Effets collatéraux - ZAT Laser CO2 IR µs-ms Laser YAG/fibreIR ns-ms Laser YAG 2w Vis ns-ms Processus thermique Laser YAG 3/4w UV ns Laser Excimer UV ns Processus Photochimique Processus ultrabref Laser Pico/Femto IR ps-fs Faible taux d’ablation – Précision – Faible ZAT Les différents processus d’ablation laser

8. Exemples d’usinage Perçage (acier inoxydable) Découpe (Tungstène) Texturation (Platine) Document IREPA LASER Gravure (Polyimide) Ablation sélective Marquage intra-volume (PMMA)

9. Exemples de produits et marchés concernés Source : Trackinside Source : Rhodia Air Liquide - AREVA - CEA LETI – CNES – DELPHI - DIOR – EDF – EADS – MONDRAGON – NXP - RHODIA - SAGEM – SANOFI - STANTUM - SNECMA - ST Microelectronics – TEMEX – THALES - VALEO

10. Usinage sous atmosphère contrôléeProblématique • 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 …

11. Usinage sous atmosphère contrôléeProblématique • Phénomènes à l’origine • Expansion du panache • Confinement sous air ambiant • Interactions chimiques • Formation de plasma • Claquage et filamentation • Phénomène d’écrantage 1000 mbar 10 mbar Air

12. Montage expérimentalUsinage sous vide ou atmosphère contrôlée Mesure de la pression Pompage Admission du gaz

13. Résultats (1/3)Effet de la pression ambiante • Perçage par trépanation : acier inoxydable, 100 kHz, 10 µJ/imp, 500 fs @1030 nm 0,05 mbar 5 mbar 1000 mbar

14. Résultats (2/3)Effet de la nature du gaz • Perçage par trépanation, acier inoxydable, 100 kHz, 10 µJ/imp, 500 fs @1030 nm Air 1000 mbar Hélium 1000 mbar

15. Résultats (3/3)Effet du taux répétition • Perçage par trépanation, acier inoxydable, 10 kHz et 100 kHz, 10 µJ/imp, 500 fs @1030 nm 10 kHz Air 1000 mBar 100 kHz Air 1000 mBar

16. Usinage haute cadenceNouvelles sources • Sources développées par AMPLITUDE SYSTEMES (Pessac) • Nouvelle technologie de laser à fibre ps-fs • Spécifications techniques :

17. RésultatsMolybdène S-Pulse HP (500 fs) à 100 kHz 3 µJ/impulsion Tangerine (10 ps) à 2 MHz 3 µJ/impulsion • Débit d’ablation = 520 000 µm3/s • Débit par impulsion = 0.26 µm3/imp • Débit d’ablation = 340 000 µm3/s • Débit par impulsion = 3.40 µm3/imp

18. Application possible des très hautes cadencesMicro-texturation de silicium : « Black Silicon » Source : Thèse J.E. Carey • Micro-texturation par laser femtoseconde sous gaz SF6 • 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

19. 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

20. 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: • ALPhANOV • CS 60002, 33403 Talence Cedex • FRANCE