01 Principes et caractéristiques techniques
Le principe de base du laser guidé par l'eau-est de coupler le faisceau laser dans un microjet d'eau à haute-pression et de guider le laser vers la surface du matériau à travers le jet d'eau. Dans ce système, le laser généré par la source laser passe d'abord à travers une série de composants optiques (tels que des lentilles et des miroirs) pour la collimation et la focalisation, puis est combiné avec le jet d'eau à haute pression-à travers une buse spéciale. Le jet d'eau forme un petit canal dans la buse et le faisceau laser est guidé à travers ce canal jusqu'à la surface de la pièce, comme le montre la figure 1. L'indice de réfraction de l'eau étant différent de celui de l'air, le chemin de propagation du laser dans l'eau change. Une conception optique précise est donc nécessaire pour garantir la stabilité et la focalisation de l'énergie du faisceau laser.
Figure 1. Le principe technique des lasers à guidage d'eau-.
Haute précision : la technologie laser-guidée par l'eau peut atteindre une précision de traitement submillimétrique, voire micrométrique-. Étant donné que le diamètre du jet d'eau est très petit, généralement de quelques dizaines à centaines de micromètres seulement, le faisceau laser peut être guidé avec précision vers des positions spécifiques sur la pièce pour des opérations fines de découpe, de perçage ou de gravure. Haute efficacité : pendant le traitement laser guidé par l'eau, le faisceau laser est transmis directement à la surface de la pièce à travers le jet d'eau, réduisant ainsi la perte d'énergie et la diffusion dans l'air. De plus, le jet d'eau fournit également des effets de refroidissement et de rinçage, abaissant efficacement la température de surface de la pièce et réduisant la zone affectée par la chaleur, améliorant ainsi l'efficacité et la qualité du traitement. Dommages thermiques réduits : en raison de l'effet de refroidissement du jet d'eau, la -zone affectée par la chaleur (ZAT) dans le traitement laser guidé par l'eau-est très petite. La zone affectée par la chaleur fait référence à la zone de la surface et à l'intérieur de la pièce où une déformation thermique, des dommages ou des changements de phase se produisent en raison de la conduction thermique et du rayonnement pendant le traitement laser. Le refroidissement rapide du jet d'eau lors du traitement laser guidé par l'eau élimine rapidement la chaleur de la surface de la pièce, réduisant ainsi la taille et la profondeur de la zone affectée par la chaleur- et empêchant la déformation thermique et les dommages au matériau.
Figure 2. (a) Images SEM de sections coupées en alliage de titane par découpe « laser sec conventionnel » et découpe laser guidée par eau-, (b) comparaison des surfaces coupées de CFRP obtenues par laser guidé par eau-laser et découpe « laser sec conventionnel ».
02 Champs d'application
Domaine aérospatial : le domaine aérospatial a des exigences très élevées en matière de précision et de qualité du traitement des matériaux, et la technologie laser-guidée par l'eau est largement utilisée dans ce domaine. Il peut être utilisé pour traiter des composants clés des moteurs aérospatiaux tels que les aubes, les disques de turbine et les chambres de combustion, qui sont généralement fabriqués à partir de matériaux difficiles-à traiter-comme les superalliages et les alliages de titane. Les lasers à guidage d'eau-peuvent couper et graver efficacement ces matériaux tout en garantissant la précision du traitement et la qualité de la surface, améliorant ainsi les performances et la fiabilité des composants. En outre, les lasers à guidage d'eau peuvent également être utilisés pour traiter des pièces structurelles de véhicules aérospatiaux, telles que les ailes et les fuselages, permettant ainsi l'usinage de formes complexes et de conceptions légères.
Domaine des semi-conducteurs : dans la fabrication de semi-conducteurs, les lasers à guidage d'eau peuvent être utilisés pour découper des matériaux semi-conducteurs tels que des tranches de silicium, ainsi que pour le conditionnement et les tests de puces. Étant donné que les matériaux semi-conducteurs nécessitent une précision de traitement et une qualité de surface extrêmement élevées, la haute précision et les faibles caractéristiques de dommages thermiques des lasers guidés par l'eau en font un outil de traitement idéal. Ils peuvent réaliser une découpe fine des tranches de silicium, évitant les fissures et les dommages, améliorant ainsi le rendement et les performances des puces. De plus, les lasers-guidés par l'eau peuvent être utilisés pour le micro-traitement de dispositifs semi-conducteurs, tels que la fabrication de composants microélectroniques et la gravure de microcircuits, offrant une précision d'usinage au niveau micrométrique ou même nanométrique.
Nouveau domaine énergétique : dans le secteur des nouvelles énergies, les lasers-guidés par l'eau peuvent être utilisés pour traiter les composants clés des nouveaux dispositifs énergétiques tels que les panneaux solaires et les piles à combustible. Par exemple, dans la fabrication de panneaux solaires, des lasers guidés par l'eau peuvent être utilisés pour découper des tranches de silicium et graver des motifs d'électrodes à la surface des cellules solaires, améliorant ainsi l'efficacité de conversion photovoltaïque et les performances des panneaux. Dans la fabrication de piles à combustible, les lasers à guidage d'eau-peuvent traiter des composants tels que des assemblages d'électrodes à membrane et des plaques bipolaires, permettant ainsi une découpe et une gravure de haute-précision, améliorant ainsi les performances et la durée de vie des piles à combustible.
Figure 3. Applications des lasers à guidage d'eau-.
03 Défis et problèmes rencontrés par les-lasers guidés par l'eau
Stabilité du jet d'eau : pendant le traitement laser guidé par l'eau, le jet d'eau qui s'écoule à grande vitesse-peut devenir instable, ce qui peut affecter la qualité du traitement. Par exemple, lors de la découpe, les fluctuations du jet d'eau peuvent provoquer des écarts dans la ligne de découpe ou augmenter la rugosité de la surface, affectant à la fois la précision de l'usinage et la qualité de la surface. Pour assurer la stabilité du jet d'eau, il est nécessaire d'optimiser le système de contrôle du jet d'eau afin qu'il puisse maintenir un état stable tout au long du traitement.
Laser-Efficacité du couplage à l'eau : l'efficacité du couplage entre le faisceau laser et le jet d'eau affecte directement les résultats du traitement. Si l'efficacité du couplage est faible, la perte d'énergie laser dans le jet d'eau augmentera, réduisant à la fois l'efficacité et la qualité du traitement.
Exigences techniques pour les trous de buse : pour garantir un traitement laser guidé par de l'eau-de haute qualité, la conception et la précision de fabrication du trou de buse sont essentielles. Le trou de la buse doit avoir des parois extrêmement fines tout en conservant une grande précision de rondeur et une conicité nulle pour résister à l'impact du débit d'eau. De plus, la rugosité de la surface intérieure du trou doit être extrêmement faible pour garantir la stabilité et la consistance du jet d'eau.
Adaptabilité environnementale : les équipements de traitement laser à guidage d'eau-ont des exigences environnementales élevées. Par exemple, le fonctionnement de l’équipement nécessite une alimentation électrique stable, de l’eau propre et un environnement à température et humidité constantes. Dans des environnements présentant de mauvaises conditions, telles que de grandes fluctuations de température, une humidité élevée ou une alimentation électrique instable, les performances de l'équipement peuvent se dégrader, voire tomber en panne. De plus, des facteurs tels que la poussière et les vibrations présentes dans l'environnement peuvent interférer avec le traitement, affectant la précision et la qualité de l'usinage. Par conséquent, dans les applications pratiques, un contrôle et une gestion stricts de l’environnement de fonctionnement de l’équipement sont nécessaires.
04 État de développement actuel de l’industrie au pays et à l’étranger
Avec les progrès continus de la technologie de traitement laser de précision et la demande croissante du marché, la technologie de traitement laser à guidage d'eau -se développe et s'améliore également continuellement. Les principaux fabricants d'équipements laser à guidage d'eau-de renommée internationale comprennent principalement deux sociétés : les sociétés suisses Synova et Avonisys. Actuellement, parmi les entreprises domestiques d'équipements de traitement laser guidés par l'eau, celles qui se développent relativement rapidement incluent Wot Intelligent Manufacturing, Cosset et Shanghai Lengchen Technology, entre autres. Certaines autres entreprises adoptent l’approche consistant à introduire directement des technologies étrangères connexes, puis à les assembler et à les produire au niveau national tout en optimisant leurs produits. Bien que cela puisse rapidement combler les lacunes technologiques et réduire les coûts et les délais de R&D à court terme, certains problèmes subsistent à long terme, tels que la dépendance à l'égard de technologies de base étrangères, le déséquilibre des investissements en R&D et les risques de retombées dans la chaîne industrielle. L'auteur estime qu'un cycle positif d'« introduction-absorption-dépassement" devrait être établi. La bonne nouvelle est qu’il existe désormais des entreprises nationales capables de fournir des équipements commerciaux avec des composants 100 % produits localement. Avec la transformation et la modernisation de l'industrie manufacturière chinoise, la technologie de traitement laser à guidage d'eau jouera un rôle plus important dans la fabrication haut de gamme, en particulier dans les véhicules à énergie nouvelle, l'aérospatiale et la fabrication d'équipements haut de gamme. L'application de la technologie laser guidée par l'eau stimulera l'innovation technologique et la mise à niveau des produits dans ces industries.
