Usinage assisté laser (UAL)

a) Principe

L’UAL permet un chauffage localisé avec une densité de puissance très importante. Le faisceau laser (de type Nd-YAG) vient chauffer la pièce en amont de l’outil juste avant la coupe, permettant ainsi de modifier de façon temporaire et locale les propriétés du matériau afin d’améliorer son usinabilité. En effet, en chauffant la pièce, les caractéristiques mécaniques chutent avec l’augmentation de la température (Figure I-5). Ce procédé peut aussi permettre d’effectuer un traitement thermique de surface, en ajus tant la position du spot laser par rapport à l’outil de coupe (Germain 2006).

Bibliographie

29 Figure I-16: Principe du tournage assisté laser

Trois sources différentes peuvent actuellement être exploitées pour l’assistance laser : Laser CO2 : elle a été la première source utilisée et reste encore aujourd’hui la plus puissante. Le transport du faisceau s’effectue par jeux de miroirs, ce qui constitue un frein très important pour l'implantation de ce type de laser dans des machines nécessitant des déplacements en 3D.

Laser Nd-YAG (Néodyme - Yttrium Aluminium Garnet) : cette technique a été mise au point dans les années 70. Des puissances plus faibles sont développées mais les évolutions des dernières années ont permis d’obtenir des puissances suffisantes pour l’assistance au tournage. Le transport de la source laser réalisé par fibre optique facilite considérablement son implantation sur une machine industrielle.

Laser à semi-conducteurs ou diode laser : Malgré leur puissance insuffisante lors de leur mise au point dans les années 80, les progrès des dernières années ont permis de regrouper suffisamment de diodes lasers pour fournir un faisceau de plusieurs kilowatts facilement intégrables à une machine-outil car transportables par fibre optique. Economiques et compactes, elles constitueront surement par la suite les sources les plus intéressantes pour réaliser de l’assistance laser.

b) Principaux résultats des différents travaux réalisés en UAL Différents travaux de recherche menés dans plusieurs laboratoires ont porté sur l’assistance laser. Les premiers visant à intégrer l’outil laser dans l’industrie ont débuté aux Etats-Unis en 1975. Des initiatives françaises ont ensuite été menées conjointement avec des industriels, des centres techniques et des universités à partir de 1985.

Plus concrètement, un projet BRITE (1997-1999) regroupant des laboratoires de recherche européens a été initié pour fournir à l’industrie européenne des données technologiques sur

Faisceau Laser

Outil de coupe

Pièce

Faisceau Laser

Outil de coupe

Pièce

30 l’usinage assisté par laser de matériaux tels que l’Inconel 718 ou l’alliage de titane Ti6Al4V et la céramique Si3N4 en tournage et en fraisage. Ces études, orientées vers les passes d’ébauche, ont porté sur la modélisation globale du procédé ainsi que l’influence des paramètres de coupe et du faisceau laser sur la répartition de température sur la cible.

Cependant, le cas particulier des passes de finition pendant une opération de tournage ou de fraisage précis n’a pas été envisagé.

Des travaux récents [Germain 2006] [Fan 1994] montrent une notable amélioration de l’usinabilité des matériaux réputés difficiles à usiner tels que les aciers durs ou les alliages de titane par le procédé UAL. La comparaison avec un usinage conventionnel, effectué dans les mêmes conditions de coupe, met en évidence différentes améliorations : une diminution notable des efforts de coupe, de l’amplitude des vibrations et une amélioration de l’état de surface usinée. La diminution de la résistance à la coupe permet une meilleure génération et un meilleur écoulement du copeau. Une des causes d’usure par diffusion disparait car l’effort de coupe ou la pression entre l’outil et la pièce diminue mais la température augmente favorisant la diffusion. Une étude très récente a été menée à l’université sur l’influence de l’assistance laser sur l’usinage un acier dur AISI 4130 *Ding 2010+.Les rés ultats obtenus montrent que l’UAL, avec un enlèvement de matière quatre fois plus rapide que le tournage dur suivi d’une rectification, produit une rugosité Ra inférieure à 0,3 µm, et ne génère pas d’adoucissement et de modification de la microstructure de la surface usinée. En comparant avec plusieurs conditions de tournage dur, l’effort de coupe ou de l'énergie spécifique de coupe en UAL est environ 20% plus faible avec l’augmentation de la puissance laser.

Des études de matériaux plus exotiques tels que les céramiques ont été réalisées ces dernières années, particulièrement à l’université de Purdue. Ces essais réalisés avec un laser CO2 à 1,5 kW et un outil PCBN ont permis de mettre en évidence une diminution de la contrainte dans la zone primaire de cisaillement avec l’augmentation de la température de la pièce *Lei 2000+. En outre, Chang a montré que l’utilisation de l’usinage assisté laser sur des céramiques permettait une amélioration de l’état de surface *Chang 2006+.

Des essais ont été réalisés sur un composite à matrice métallique Al2O3p/Al avec un outil carbure et un laser YAG de 200W par Wang *Wang 2002+. Ils montrent que l’utilisation du laser permet une diminution des efforts de coupe de 30 à 50 % et une augmentation de la durée de vie de l’outil de 20 à 30 %.

Des paramètres optimisés en usinage assisté par laser devraient donc permettre d’obtenir une température optimale au niveau de la zone de coupe. Ces conditions pourraient entrainer une diminution de l’usure de l’outil par diffusion, mais aussi par adhésion et par abrasion, ce qui va dans le sens de l’amélioration de la micro-géométrie des surfaces coupées.

Bibliographie

31 Le lien entre usinage assisté laser et intégrité de surface a été abordé au centre Arts et Métiers Paristech d’Angers par G. Germain *Germain 2006+ sur deux matériaux différents : un acier 100Cr6 traité et un alliage de titane Ti-6Al-4V. Cet auteur s’est plus particulièrement intéressé à l’influence de l’assistance laser sur les profils de contraintes résiduelles et sur l’écrouissage lors de l’usinage de ces matériaux. Quels que soient les paramètres de coupe, les contraintes résiduelles dans les directions axiales et tangentielles ont tendance à remonter vers la traction. Par exemple pour un acier 100Cr6, avec comme paramètres de coupe Vc = 240 m.mn-1, f = 0,1 mm.tr-1 et ap = 0,5 mm, ces contraintes superficielles remontent vers la traction de plusieurs centaines de MPa lors de l’UAL (Figure I-17). Cette augmentation est due à la hausse de la température qui par dilatation crée des contraintes de compression en surface qui génèrent après refroidissement des contraintes résiduelles de traction.

Figure I-17: Profil en profondeur de profil de contraintes résiduelles dans le sens axial (a) et dans le sens tangentiel (b) pour un usinage conventionnel et UAL acier 100Cr6

La profondeur affectée par les contraintes résiduelles diminue avec la puissance laser. Elle passe de 400µm sans assistance à 150µm avec une puissance laser de 600W. Cette conclusion est confirmée par la profondeur affectée par l’écrouissage. La coupe produit une déformation plastique significative de la couche superficielle.

Des essais réalisés sur un alliage de titane Ti-6Al-4V à microstructure équiaxe, mettent en évidence la possibilité de faire des traitements thermiques superficiels avec des densités de puissance et de vitesse de déplacement grandes [Germain 06c]. Pour des puissances de laser élevées, une couche dendritique apparaît en surface à la suite de la fusion de l’alliage. Sous cette couche est créée une microstructure aiguillée qui est plus ou moins fine selon la vitesse de refroidissement obtenue. Avant de retrouver une structure initiale, une zone de transition à microstructure bimodale apparaît (

Figure I-18). Ces observations permettent de déterminer la profondeur affectée thermiquement. L’auteur conclut que celle-ci est proportionnelle à l’énergie calorifique apportée. Cette énergie calorifique est égale à la puissance laser absorbée par le matériau multipliée par le temps d’interaction, soit pour une taille de spot donnée, l’énergie est proportionnelle à la puissance laser et inversement proportionnelle à la vitesse de

32 déplacement du faisceau. Elle augmente avec la puissance du laser et est d’autant plus grande que la vitesse est faible.

Figure I-18: Traitement thermique en UAL sur du Ti6Al4V [Germain 2006c]

Un modèle thermique transitoire tridimensionnel est développé pour prédire le champ de température dans le lopin en cours d’usinage subissant l’assistance laser. L’effet de l’assistance laser sur la qualité de surface et l'intégrité de la sous -couche est étudié en termes de rugosité, microdureté, microstructures et contraintes résiduelles. Les contraintes résiduelles en surface remontent vers la traction d’environ 150 MPa dans cet alliage de titane.