Transcript Folie 1 - Trumpf Maschinen AG, Baar

La fascination
des lasers à
impulsion ultracourte
Depuis sa découverte, la lumière laser fascine la plupart d’entre nous. Son rayon clair
et brillant traverse l’obscurité pour illuminer des objets lointains.
Avec un laser, nous pouvons mesurer la distance entre notre
De manière encore plus perfectionnée, la puissance du laser
terre et la lune avec une très haute précision. La lumière laser
peut être dosée en impulsions ultra-courtes, ce qui permet
peut rendre fluorescentes les molécules les plus petites et
d’usiner les matériaux par une ablation « froide », c’est-à-dire
nous permet ainsi d’observer le déroulement de réactions
qu’ils se vaporisent sans passer par la phase liquide. Cela
biochimiques complexes. Les sources laser de
rend les lasers à impulsion ultra-courte intéressants pour des
télécommunication assurent la transmission du savoir de
applications qui exige une très haute qualité d’usinage. La
l’humanité au travers des océans et sur tous les continents. Le
Figure 1 montre une série d’exemples illustrant des lasers à
laser fait fondre les matériaux les plus durs, ce qui permet de
impulsion ultra-courte en action.
couper d’épaisses plaques de métal en morceaux, de souder
ou bien braser des composants ensemble.
Figure 1 : Des lasers à impulsion ultra-courte en action lors de la découpe du verre (à gauche) et de la céramique (au centre) ou bien pour le
perçage d’un film polymérique (à droite). La luminescence du plasma créée par l’ablation froide est facilement reconnaissable.
(Source: TRUMPF)
Werkzeugmaschinen/Elektrowerkzeuge
Lasertechnik/Elektronik
Medizintechnik
Figure 2 : Composants métalliques fabriqués avec des lasers à impulsion ultra-courte. A GAUCHE : pignon pour un mouvement
d’horlogerie. AU CENTRE : Ressort du levier de réglage d’un mouvement d’horlogerie. A DROITE : Electrode d’un métal précieux pour
une micro-pompe électro-osmotique avec des trous de 90 micromètres de diamètre. (Source: TRUMPF, CSEM)
Quels sont les avantages d’un usinage
à froid ?
Les impulsions extrêmement courtes et puissantes ne laissent
Plus particulièrement pour les start-ups et les PME qui
pas le temps au matériau de fondre. Le matériau est vaporisé
cherchent à réaliser un produit innovant, il peut être
sans aucune zone affectée thermiquement. Cela engendre
intéressant de mettre au point un procédé de fabrication laser
une réduction notable du stress thermique et du risque de
en collaboration avec des centres de recherche établis dans le
fissuration et de fragilisation. La qualité de l’usinage est
cadre d’un mandat direct ou d’un partenariat publique-privé.
extraordinaire mais en contrepartie la vitesse de découpe est
La production peut ensuite être sous-traitée chez un
réduite. Un des aspects technologiques les plus intéressants
fournisseur spécialisé dans la découpe laser.
est que pratiquement tous les matériaux peuvent être usinés –
métaux, verres, céramiques, polymères, élastomères, semi-
Quelques exemples: Dans la microtechnologie, l’usinage par
conducteurs, composites (figure 2-4). Les possibilités sont
laser complémente les technologies de fabrication établies.
donc nombreuses et donnent accès à beaucoup de marchés
Avant la mise-en-place coûteuse de lignes de
lucratifs et aux applications polyvalentes.
photolithographie ou de moulage par injection, la fabrication
de prototypes et de séries pilotes peut être réalisée
Parmi les applications actuelles ou potentielles des lasers à
efficacement et à moindre coût par des lasers à impulsion
impulsion ultra-courte, il faut mentionner la découpe des
ultra-courte, par exemple pour la découpe de capteurs
écrans pour les smartphones, la découpe des CFRP (carbon
d’accélération en matériaux fragiles. Pour la découpe de
fiber reinforced plastic, c’est-à-dire un polymère renforcé avec
substrats de capteurs fluidiques en verre, le laser peut à la fois
des fibres de carbone) et le scribing des cellules solaires.
être utilisé pour la structuration des électrodes dans un film de
Nombre d’entreprises multinationales ont d’ores-et-déjà investi
métal sur le verre mais aussi pour le perçage et la découpe du
dans des systèmes lasers à impulsion ultra-courte. Mais la
verre. La fabrication des prototypes lab-on-chip
maturité de cette technologie permet maintenant d’explorer
microfluidiques en verre ou en polymère est souvent réalisée
son utilisation pour des entreprises de plus petite taille,
par laser. Parfois, la microfabrication avec laser est la seule
spécialisée sur des marchés niches à haute valeur ajoutée.
option à cause des certaines limitations des technologies
traditionnelles en terme de matériau ou de design.
TRUMPF Maschinen AG
Ruessenstrasse 8 - 6340 Baar - Tél.: +41 (41) 769 66 66 - Fax: +41 (41) 769 66 00
[email protected] - www.ch.trumpf.com
Figure 3 : Matériaux doux, usinés par des lasers à impulsion ultra-courte. A GAUCHE : Chip microfluidique fabriqué en film polymérique
flexible. AU CENTRE : Canaux microfluidiques en COC, un polymère qui est transparent pour la lumière UV et qui est utilisé pour des
applications lab-on-chip. A DROITE : Joint fabriqué en FKM, un élastomère avec une résistance chimique extraordinaire. (Source: CSEM)
Une autre question se pose souvent. Comment séparer des
D’autres matériaux très durs comme le saphir ou la
composants fabriqués sur un wafer (procédés par lots) si le
céramique, avec leur résistance extraordinaire à la corrosion,
sciage n’est pas une option ? Des lasers à impulsion ultra-
l’abrasion et l’expansion thermique, peuvent aussi être usinés
courte sont utilisés pour la séparation de puces (« chips ») en
par ablation froide.
silicium ou verre, qui ne sont pas arrangées sur le wafer de
manière régulière ou rectangulaire, pour la séparation des
Étant donné que les lasers à impulsion ultra-courte deviennent
collimateurs pour des sources de rayons X microstructurées et
toujours plus puissants – par exemple grâce au concept
fragiles, ou pour la séparation des sondes électroniques
d’amplificateur laser à disques TRUMPF – il est bientôt
filigranes, microfabriquées en métaux précieux avec des
envisageable que la fabrication de pignons, de ressorts du
sections transversales de quelques dizaines de micromètres.
levier de réglage, de ressorts en spirale et d’autres
Pour la production de petites séries, il est parfois plus efficace
components en métal puisse être effectuée de manière
de commencer la microfabrication avec des wafers de grand
efficace dans un avenir proche. Pour les marques horlogères
diamètre, par exemple de 6 pouces, de les couper avec un
de haut de gamme, qui font avancer l’emploi de matériaux
laser à impulsion ultra-courte en wafers plus petits, par
innovants pour les échappements, balances et mouvements,
exemple de 2 pouces, et finaliser la production sur ceux-ci.
les lasers à impulsion ultra-courte pourraient être un
Cela se fait par exemple pour des components optiques hauts
instrument très intéressant pour la réalisation de prototypes.
de gamme.
Le potentiel pour l’horlogerie
Quant à l’horlogerie, la fabrication avec des lasers à impulsion
ultra-courte permet l’usinage des matériaux qui ne sont pas
accessibles aux technologies classiques. Par exemple, il est
.
possible de percer et découper des éléments d’horlogerie, qui
se composent d’un substrat de verre ultra fin laminé d’un film
polymérique nanostructuré, sans casser le verre et en même
temps sans fondre le film plastique.
TRUMPF Maschinen AG
Ruessenstrasse 8 - 6340 Baar - Tél.: +41 (41) 769 66 66 - Fax: +41 (41) 769 66 00
[email protected] - www.ch.trumpf.com
Figure 4 : Matériaux durs et fragiles, usinés par des lasers à impulsion ultra-courte. A GAUCHE : Roue d’échappement en céramique. AU
CENTRE : Céramique verte (pas encore frittée), usinée par l’ablation froide, pour l’instrumentation médical. A DROITE : Capteur en verre
possédant des électrodes en film d’or à la surface. Le substrat en verre ainsi que les électrodes ont été structurés par ablation froide.
(Source: CSEM)
Quels sont les prochains challenges ?
Les lasers à impulsion ultra-courte ont connu des
Des optiques plus sophistiquées seront développées qu’il
développements remarquables lors de ces dernières années.
faudra intégrer dans les machines. Des optiques de
Sortant des laboratoires scientifiques, ils font leur entrée dans
trépanation permettront l’ajustage de l’angle de découpe
les lignes de production industrielle. Un marché prometteur
(« taper angle »), ce qui est déjà possible pour le perçage de
s’ouvre en ce moment pour les entreprises spécialisées dans
trous avec des géométries relativement simples. Il sera
la construction mécanique, y compris l’intégration des lasers
important que les différentes optiques puissent être changées
et de composants optiques. Chaque application – c’est-à-dire
de manière modulaire.
la combinaison de matériaux, d’un design et son intégration
dans les procédés précédents et suivants de la chaîne de
La force de l’innovation, résultant de la collaboration entre des
production – a ses propres exigences. L’intégration de
institutions de recherche publiques et de l’industrie, permettra
plusieurs longueurs d’onde avec les optiques correspondantes
de conquérir de nouveaux marchés et applications dans les
est une nécessité pour les développements futurs. Des
années à venir. Les lasers à impulsion ultra-courte
scanners plus rapides seront disponibles pour l’utilisation de
continueront d’exercer une fascination sur ceux qui les
lasers à impulsion ultra-courte avec des hauts taux de
développent, les construisent et les utilisent.
répétition.
.
Auteur
Dr Janko Auerswald
Head of Production Services
Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique
CSEM SA
TRUMPF Maschinen AG
Ruessenstrasse 8 - 6340 Baar - Tél.: +41 (41) 769 66 66 - Fax: +41 (41) 769 66 00
[email protected] - www.ch.trumpf.com