Usinage hybride jet d'eau-laser : efficacité accrue pour composants PRFC et CMC

Alors que les matériaux polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) et composites à matrice céramique (CMC) prolifèrent dans les moteurs d'avions, composants spatiaux et applications hypersoniques, l'usinage devient un enjeu où la précision et l'efficacité peuvent altérer les résultats des programmes. Essayer d'usiner des caractéristiques de haute fiabilité et haute précision dans les PRFC et CMC peut être difficile en raison de leur dureté et abrasivité, résultant en des vitesses d'usinage lentes, effets indésirables sur les propriétés matériaux, incapacité à rencontrer les spécifications des pièces et coûts opérationnels élevés, incluant le remplacement récurrent d'outils.

Pour relever ce défi, une gamme de technologies laser a été développée pour l'usinage de tels composites avancés. Bien que les lasers offrent le potentiel d'une efficacité accrue et l'élimination des coûts d'outils récurrents, la chaleur générée se dissipe dans le matériau, créant un potentiel de microfissuration et de changement de matériau. Les lasers coupent aussi au point focal du faisceau lumineux, résultant en des coupes en V qui peuvent être problématiques pour des tolérances précises.

La technologie Laser MicroJet développée par Synova (Duillier, Suisse) crée un faisceau laser entièrement contenu dans un jet d'eau. Le laser est réfléchi à l'interface air-eau, similaire en principe à une fibre optique, pendant que l'eau refroidit la zone de coupe et lave les débris de la saignée. Les avantages du Laser MicroJet comparé aux lasers conventionnels incluent selon les rapports : pas de brûlure ou dégradation thermique, moins de bavures pour surfaces plus lisses, coupes à parois droites et précision supérieure.

La puissance de l'eau et de la lumière

Synova a été fondée en 1997 par le Dr Bernold Richerzhagen, qui a breveté la technologie Laser MicroJet après ses recherches à l'Institut fédéral de technologie (EPFL, Lausanne, Suisse) dans les années 1990. La technologie a été largement adoptée pour le tronçonnage de wafers semi-conducteurs en 2001. Synova a ensuite établi des filiales locales aux USA, Japon, Inde et Corée en 2003. Celles-ci ont été étendues pour inclure maintenant des centres de micromachinage, avec une expansion prévue à court terme pour Taïwan et Chine. En 2009, Synova a établi un partenariat de développement coopératif avec Makino Milling Machine Co. Ltd. (Tokyo, Japon), introduisant une nouvelle série de machines et les faisant progresser pour l'usinage de dispositifs médicaux, mécanismes de montres, pales de turbines de moteurs à gaz et à réaction, dispositifs semi-conducteurs et outils de coupe en matériaux super-durs.

Dans le système Laser MicroJet, un faisceau laser passe à travers une chambre d'eau pressurisée et est focalisé dans une buse. Les lasers sont un type industriel commun — Nd:YAG à état solide — avec une puissance de 10-200 watts et une longueur d'onde de 1 064 (infrarouge), 532 ou 355 nanomètres. Le jet fin comme un cheveu — diamètre de 50-70 microns — d'eau filtrée, déionisée est utilisé à une basse pression de 200-650 bar. Cela résulte en une faible consommation d'eau, de l'ordre de 2-3 L/h, et une force négligeable de moins de 0,1 newton exercée sur le matériau.

Comment est-il possible d'atteindre une ablation laser efficace dans l'eau ? « Le laser est pulsé environ 10 000 fois par seconde », explique Jacques Coderre, responsable commercial USA de Synova. « Pour chaque impulsion laser, un plasma est généré qui pousse l'eau vers le haut, permettant l'ablation. À la fin de l'impulsion, le plasma s'effondre et l'eau nettoie maintenant la surface et dissipe la chaleur. » Il note que le jet d'eau élimine aussi la complexité et les variations de procédé du maintien du laser au point focal typiquement requis avec les systèmes laser secs. « Cela permet de couper des pièces épaisses ou non planes sans avoir à se soucier d'être au point focal », dit Coderre. « La technologie produit aussi un laser cylindrique qui crée des parois parfaitement parallèles avec des largeurs de saignée serrées. »

Configuration pour composites

Le Laser MicroJet performe bien non seulement pour les CMC, mais aussi pour les PRFC et stratifiés empilés. Pendant les tests, il a produit des trous de 3 millimètres de diamètre dans un stratifié PRFC de 2,6 millimètres d'épaisseur à des vitesses jusqu'à 1 440 mm/min. « Avec un laser conventionnel, vous devez ralentir à cause de la chaleur », note Coderre. « Les fraiseuses conventionnelles peuvent atteindre des vitesses similaires mais ont des coûts opérationnels plus élevés dus au remplacement d'outils requis. »

Le Laser MicroJet peut couper des stratifiés CMC de 1 pouce d'épaisseur. « La vitesse est basée sur un taux d'ablation assez constant de 1 mm³/min », observe Coderre.

Synova a une gamme de machines, introduisant son système CNC cinq axes LCS 305 l'an dernier. « Cette machine excelle dans les coupes 3D de haute précision et est bien adaptée pour les petites pièces CMC », explique Coderre. « Mais elle n'est pas adaptée pour les grandes pièces PRFC. » Pour cela, Synova a intégré son Laser MicroJet dans une machine à portique, capable d'usiner des pièces plus grandes que 2 mètres par 3 mètres. « C'est aussi facile à intégrer avec des robots et facile à programmer », ajoute-t-il. Pour les coupes 2D, le logiciel MicroJet convertit un fichier CAO en code machine. Une fois vérifié, l'opérateur appuie simplement sur un bouton et la machine exécute la routine de coupe. Pour les coupes 3D, Coderre explique qu'un post-processeur extrait les données 3D nécessaires du fichier CAO et les formate pour le Laser MicroJet.

Pour la capacité Usine 4.0, un wattmètre laser, un capteur de position et une correction automatique de l'angle du jet sont intégrés dans le système Laser MicroJet. « C'est très flexible », dit Coderre, « facile à incorporer dans la production de pièces comme système autonome ou comme partie de lignes entièrement automatisées pour production à haut volume sans opérateur. » La technologie a déjà été prouvée dans les pièces CMC pour les moteurs d'avions LEAP, continue-t-il. « Pour les composites, elle offre des coûts de fabrication plus bas, atteints par des vitesses de production plus rapides, coûts opérationnels réduits, fiabilité plus élevée et rendements plus élevés. » Une telle efficacité est en effet ce dont les composites ont besoin alors que de nouveaux matériaux, marchés et technologies métalliques concurrentes continuent d'évoluer.