RSS 2.0

Pour beaucoup de ceux qui suivent ce marché, il peut sembler que les lasers à fibre de haute puissance soient en train de devenir un produit de commodité, avec des prix si bas qu'ils peuvent maintenant être utilisés dans des industries où le coût des machines aurait été prohibitif il y a seulement quelques années. Cependant, l'innovation technologique est toujours d'actualité ; il ne s'agit pas uniquement de réduire les coûts (même si c'est toujours un élément central).

De nouvelles applications ont chacune des exigences spécifiques et, pour maintenir les coûts à un niveau suffisamment bas pour que l'application soit rentable, un type de laser unique serait non seulement extrêmement difficile à fabriquer, mais aussi trop coûteux. Pour répondre aux besoins spécifiques, les lasers doivent avoir une conception orientée vers chaque application de manière spécifique, afin d'offrir des avantages techniques tout en restant abordables. Cela implique que les ingénieurs laser doivent trouver de nouvelles façons d'atteindre les spécifications visées, en étant créatifs, flexibles et en ayant accès à des composants polyvalents.

Parmi les applications des lasers à fibre de haute puissance ayant émergé le plus récemment, les trois suivantes suscitent le plus d'intérêt (et d'argent) : les systèmes de plusieurs dizaines de kilowatts, la soudure laser et la fabrication additive. La section suivante détaille les défis spécifiques à chaque application et dévoile les techniques les plus couramment utilisées pour les relever.

Systèmes de plusieurs dizaines de kilowatts

Les systèmes laser industriels d'une puissance de sortie de 20 à 60 kW sont devenus commercialement intéressants ces dernières années, car les progrès technologiques des lasers à fibre ont permis de produire ces systèmes à un prix raisonnable. L'intérêt de ces systèmes ne réside pas uniquement dans l'augmentation des vitesses de découpe, mais surtout pour adresser les industries lourdes telles que la construction navale, l'industrie ferroviaire ou l'équipement minier. Ces industries ont besoin de pièces non seulement plus épaisses, mais aussi de plus grandes tailles. Pour que les systèmes de découpe laser à ultra-haute puissance soient pertinents, la puissance laser doit être déportée loin de sa source pour fabriquer ces gadgets métalliques géants. De longues fibres doivent être utilisées pour que la lame-laser ait une portée suffisante.

Si les innovations techniques ont été à la base de cette nouvelle application, ce sont les innovations dans la structure des coûts qui lui ont véritablement permis de décoller. Ces systèmes à haute puissance sont fabriqués en combinant des modules laser de moindre puissance. Bien qu'ils ne soient pas considérés par beaucoup comme aussi prestigieux que les progrès technologiques, les progrès dans les opérations et les structures de coûts font la différence entre un résultat intéressant et un progrès technologique. Le modèle le plus récent adopté par les fabricants de lasers est la conception modulaire, qui permet à une ligne de production de lasers à fibre standardisés de minimiser les coûts, tout en ayant la capacité d'offrir des systèmes qui conviennent parfaitement aux besoins du client. Une puissance suffisante pour atteindre les exigences d'épaisseur et de vitesse de coupe, mais sans surplus de manière à éviter le coût inutile de la puissance superflue. Ce modèle de conception permet d'adopter la technologie du laser à fibre dans un plus grand nombre d’applications, ce qui rend l'analyse de rentabilité plus attrayante pour les cas de figure qui ne seraient pas rentables si différents niveaux de puissance n'étaient pas disponibles. Ce modèle exerce une pression sur la conception des lasers à fibre, car, pour que les conceptions modulaires puissent être fabriquées, la fibre de sortie doit être plus longue que celle d'un système conçu pour un niveau de puissance spécifique.

La possibilité d'utiliser de longues fibres passives est donc essentielle pour ces systèmes à très haute puissance. Bien que la fibre elle-même ne soit pas très coûteuse, l'utilisation de fibres plus longues peut nuire à la qualité du faisceau laser en raison de la diffusion Raman stimulée (SRS). La SRS est un effet non linéaire qui non seulement limite la puissance de sortie, mais diminue également la stabilité de la puissance de sortie et déstabilise la forme du faisceau, ce qui rend la coupe irrégulière et peu fiable. Étant donné que la SRS est un effet non linéaire qui sera amplifié au cours de la propagation dans la fibre, la réduction de son niveau lorsqu'il est encore faible (c'est-à-dire à la sortie de l'oscillateur ou de l'amplificateur) aura un effet important sur les performances finales du système.

Soudure

Les initiatives vertes et les réglementations incitent les consommateurs à adopter des moyens de transport durables et décarbonés, en accélérant la transition vers l'électrification des groupes motopropulseurs. Ce contexte fait des véhicules électriques (VE) la technologie de l'avenir pour l'industrie automobile - qui est estimée à environ 3,56 trillions de dollars dans le monde en 2023. Les VE ont été inventés il y a plus de 100 ans, mais ils n'étaient pas pertinents jusqu'aux récentes avancées de la technologie des batteries.

Ce que beaucoup ignorent, c'est que la technologie actuelle des batteries ne serait pas possible sans les procédés laser. La capacité de souder des éléments de plus en plus petits tout en maintenant un contact électrique parfait et une fiabilité extrême n'était pas possible il y a quelques années. Pour réaliser les soudures à grande vitesse, sans défaillance et multi-matériaux nécessaires à la démocratisation des véhicules électriques, il faut implémenter un niveau de contrôle impressionnant du procédé laser. Aujourd'hui, le contrôle du processus mesure l’état de la soudure et ajuste les paramètres du laser à l'échelle de la milliseconde pendant la soudure. Souvent réalisée par des techniques tomographie optique cohérente (OCT) ou de caméras haute vitesse, cette mesure tient compte des mouvements chaotiques du bain de métal fusion pour modifier soit la forme du faisceau laser, soit la puissance déposée, soit les deux. Le contrôle du processus à haute vitesse est également utilisé pour évaluer la qualité de la soudure sans avoir à effectuer de test de résistance électrique, ce qui simplifie considérablement le contrôle de la qualité.

Bien entendu, pour que ces réglages soient pertinents, le laser doit lui-même être extrêmement stable, tant au niveau de la puissance de sortie que de la qualité du faisceau. La plupart des fabricants de lasers ont mis au point leur technologie qui permet de modifier la forme du faisceau de sortie, mais toutes ces méthodes ont des exigences précises en matière de qualité du faisceau pour fonctionner correctement. Cela signifie que même les faibles niveaux de SRS qui sont généralement tolérables ne sont pas acceptables pour cette application.

Fabrication additive

La fabrication additive (additive manufacturing, AM) consiste simplement à usiner des pièces en ajoutant de la matière, au lieu de l'enlever comme on le fait depuis la nuit des temps. On peut supposer que les Grecs de l'Antiquité auraient réalisé des statues encore plus impressionnantes s'ils avaient eu la possibilité de sculpter en ajoutant de la matière au lieu de tailler la pierre. Bien qu'il existe de nombreuses techniques d'AM, cette section se concentre sur la fusion sur lit de poudre, qui consiste à placer une couche de poudre métallique et à utiliser un laser pour faire fondre une « tranche » de la pièce, puis à ajouter une autre couche de poudre et ainsi de suite.

Grâce à cette méthode, les ingénieurs peuvent laisser libre cours à leur créativité et imaginer des pièces très complexes, légères et efficaces qui peuvent enfin être fabriquées. Le laser utilisé déterminera la précision des caractéristiques qui peuvent être réalisées. Pour obtenir des segments réguliers, la puissance de sortie du laser doit être la plus stable possible. En outre, plus les caractéristiques sont petites, plus les concepteurs ont de liberté. La taille des caractéristiques est limitée entre autres par la qualité du faisceau, dont les exigences sont beaucoup plus strictes dans cette application.

L'AM est très prometteuse pour de nombreux secteurs, mais elle n'est pas encore très répandue. La raison en est simple : ce processus est lent. Il faut beaucoup plus de temps pour construire une pièce, plan par plan que pour utiliser un outil pour percer un trou, par exemple, ce qui rend les pièces AM assez chères par rapport à leurs équivalents traditionnels. Pour combler cette lacune, l'accent est mis sur l'augmentation de la puissance de sortie des lasers, ce qui est techniquement très difficile à réaliser tout en conservant les exigences de qualité de faisceau élevées de cette application. Il faut utiliser des fibres monomodes de petite taille, ce qui génère intrinsèquement de nombreux effets non linéaires (comme le SRS) qui dégradent la qualité et la stabilité du faisceau. Néanmoins, le gain est important puisqu'une augmentation de la puissance pour la même qualité de faisceau peut se traduire par une augmentation de la vitesse de traitement et une réduction du coût par pièce.

Comment relever ces défis courants

Il y a environ 5 ans, il semblait que la gestion du SRS n'était qu'un moyen d'augmenter la puissance d'un oscillateur laser ou d'un maître-oscillateur-amplificateur de puissance (MOPA) tout en minimisant les coûts. Aujourd'hui, l'intérêt pour la suppression du SRS est beaucoup plus large.

Un moyen très efficace de réduire le SRS est d'utiliser le RSS (Raman Scattering Suppressor). Désormais disponible pour les fibres monomodes et multimodes (de 5 à 35 µm de diamètre de cœur), ce filtre transmissif tout-fibre supprime le SRS alors que sa puissance est encore faible. Qu'il s'agisse d'utiliser un cœur plus petit pour obtenir une qualité de faisceau optimale ou d'augmenter considérablement la longueur de la fibre de livraison, le RSS empêchera l'accumulation du SRS qui se produit de manière non linéaire au cours de la propagation, permettant ainsi des spécifications laser impossibles à obtenir autrement.

Le RSS récemment amélioré peut gérer jusqu'à 5 kW de puissance de signal tout en maintenant une perte d'insertion ≤0,15 dB. Avec plusieurs milliers d'unités aujourd'hui déployées sur le terrain, le RSS est l'une des nombreuses innovations nécessaires pour réaliser de telles avancées dans le traitement des matériaux.

Avantages

• Faible dépendance à la température
• Disponible pour les oscillateurs monomodes et les amplificateurs de puissance multimodes
• Faible perte d'insertion
• Versions personnalisées disponibles