Consolidation laser de pièces métalliques, emporte-pièces et systèmes de commande

Points saillants

Les lasers constituent désormais l'outil par excellence de certains processus, comme le découpage, le soudage et la fabrication additive. Les techniques actuelles sont cependant limitées sur le plan des matériaux utilisables, en particulier dans le cas des métaux. Les processus nécessitent une quantité considérable d'usinage après la fabrication, ne facilitent pas le contrôle du chauffage et du refroidissement du matériau et entraînent la perte de matériau coûteux.

La technologie de consolidation laser a été mise au point pour corriger ces problèmes. Cette nouvelle méthode consiste à déposer le matériau sur une surface à l'aide d'au moins un laser. Elle permet d'augmenter la vitesse et d'améliorer la précision de la production, tout en réduisant au minimum les besoins de post-traitement et la perte de matériau.

Les systèmes de fabrication au laser évolués nécessitent également des systèmes de commande innovateurs. L'un de ces systèmes est composé de deux modules interdépendants qui contrôlent le faisceau laser et le mouvement de celui-ci. Le module de commande laser vérifie continuellement la position réelle du laser avant toute exécution, comme le dépôt de matériau.

La méthode de fabrication au laser sert à produire un nouvel emporte-pièce composé d'une base métallique et d'une arête aiguisée le long d'un trajet prédéterminé. La précision de la pièce est telle que cette dernière peut couper une seule feuille de papier ou couche de stratifié sans toucher au support.

Ces progrès permettront d'augmenter la précision des formes 3D produites et de réduire considérablement les coûts liés aux méthodes actuelles de fabrication additive au laser.

Transfert de technologie

Il est possible d'obtenir une licence pour la technologie ou d'approfondir cette dernière par l'intermédiaire d'une entente de recherche collaborative avec le CNRC. Cette occasion d'affaires correspond aux fichiers du CNRC suivants : 10687, 10691 et 12220.

Applications commerciales

La technologie s'adresse tout particulièrement aux fournisseurs de système laser (industrie automobile, appareils médicaux, sécurité, défense, etc.) qui effectuent de la fabrication de pièces de haute précision à vitesse élevée.

Fonctionnement

Les lasers constituent désormais l'outil par excellence de certains processus industriels, comme le découpage, le perçage, le soudage et la fabrication additive. Le placage au laser, par exemple, est une technique de modification de surface qui sert à déposer une surface plus résistante à la corrosion ou à l'usure sur des composants métalliques. Durant le processus, le matériau de placage est fourni sous forme de poudre afin de favoriser la polyvalence. La poudre est éjectée d'une buse et fondue de pair avec le substrat par un faisceau laser. L'échantillon est soumis à une seule passe dans une direction. Dans le cas d'une zone plus grande, on utilise des passes en chevauchement, habituellement dans la même direction. En placage laser, l'angle incident du faisceau laser est perpendiculaire à la surface afin d'optimiser l'absorption d'énergie. La plupart de ces techniques reposent sur la fabrication en couches : la pièce est construite en série de couches horizontales dont chaque couche est formée individuellement et liée à la précédente. Les divers processus diffèrent sur le plan de la formation de chaque couche et des matériaux bruts utilisés, mais la méthode sous-jacente est essentiellement la même.

La sélection restreinte de métaux ou d'alliages utilisables constitue la principale limite des méthodes actuelles. Toutefois, les métaux en poudre doivent aussi être revêtus d'un matériau thermoplastique spécial, ce qui augmente considérablement les coûts liés aux matériaux. De plus, le besoin de réusiner la couche métallique selon les dimensions requises après chaque passe entraîne une perte inutile de matériau coûteux.

Ces inconvénients sont supprimés par la méthode de consolidation laser, qui permet de déposer une couche de matériau sur une surface et d'assurer un flux de matériau à un angle largement normal par rapport à la surface. Elle permet également à de multiples lasers de déposer le matériau sur la surface à un angle aigu et de créer des parois plus épaisses en une seule passe. Les faisceaux laser multiples réduisent au minimum le préchauffage et le postchauffage de l'accumulation et contrôlent plus efficacement ceux-ci; deux avantages particulièrement importants si les matériaux sont sensibles au choc thermique. Enfin, la nouvelle technologie mise au point permet un certain mouvement de la surface et du laser, afin d'assurer un revêtement égal du matériau. On peut ainsi accumuler des couches de revêtement répétées et créer des formes 3D denses et complexes, tout en réduisant au minimum le post usinage et la perte de matériau coûteux.

Pour maximiser les avantages offerts par les systèmes de fabrication laser évolués, des systèmes de commande de pointe sont nécessaires. L'un de ces systèmes a été mis au point en vue d'optimiser l'efficacité de la nouvelle technologie. Il consiste en deux modules interdépendants qui contrôlent le faisceau laser et le mouvement de celui-ci. Le module de commande laser vérifie continuellement la position réelle du laser avant toute exécution, comme le dépôt de matériau sur la surface. Le système de commande contrôle de façon efficace un système de lasers multiples, afin de réduire davantage la perte de matériau et le besoin de post-traitement.

Les technologies de placage laser évoluées susmentionnées permettent la production d'emporte-pièces de pointe composés d'une base métallique et d'une arête aiguisée le long d'un trajet prédéterminé. Le métal en poudre et un faisceau laser sont déplacés le long de ce trajet de manière à faire fondre une mince couche de la base métallique avec le métal en poudre, puis de fusionner la poudre le long du trajet. Une fois l'arête accumulée, un matériau plus dur peut être déposé en tant que couche supérieure, puis aiguisé afin de permettre un découpage précis. La position du laser est contrôlée par un système de commande évolué, afin d'en assurer la précision. La précision des emporte-pièces peut être telle que ces derniers peuvent couper une seule feuille de papier ou une couche de stratifié sans toucher au support.

La méthode corrige les problèmes associés aux méthodes classiques de traitement d'emporte-pièces. Ces méthodes classiques consistent généralement à usiner une base métallique pour en laisser des arêtes, lesquelles sont ensuite chauffées et aiguisées. Ces processus sont longs, coûteux, limités sur le plan des formes possibles et entraînent une perte considérable de matériau.

Les progrès technologiques permettront d'augmenter la précision des formes 3D produites et de réduire considérablement les coûts associés aux méthodes actuelles de fabrication additive au laser.

Avantages

La technologie augmente considérablement la vitesse et la précision de fabrication tout en réduisant les coûts liés aux méthodes actuelles de fabrication additive au laser.

Brevets

Personne-ressource

Pour toute question à propos de cette technologie, veuillez communiquer avec :

Peter Bank, chef, Relations avec les clients
Téléphone : 519-430-7020
Courriel : Peter.Banks@nrc-cnrc.gc.ca