Pour beaucoup de ceux qui suivent ce marché, il semble que les lasers à fibre de haute puissance soient en train de devenir un produit de base, 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 certainement un élément central).
Les nouvelles applications ont chacune des exigences spécifiques et, pour maintenir les coûts à un niveau suffisamment bas pour que l'application soit rentable, un seul type de laser serait non seulement extrêmement difficile à fabriquer, mais aussi trop coûteux. Pour répondre à ces besoins spécifiques, les lasers doivent être conçus de manière à présenter des caractéristiques précises afin d'offrir un avantage au fabricant. Cela implique que les ingénieurs laser doivent être créatifs et flexibles, et trouver de nouvelles façons d'atteindre les spécifications visées. Pour ce faire, ils doivent également avoir accès à des composants polyvalents.
Parmi les applications émergentes les plus récentes des lasers à fibre de haute puissance, les trois suivantes suscitent le plus d'intérêt (et d'argent) : les systèmes de plusieurs dizaines de kilowatts, le soudage laser et la fabrication additive. La section suivante détaille les défis spécifiques à chaque application et dévoile les techniques les plus courantes 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 de la technologie des lasers à fibre ont permis de créer de tels systèmes à un prix raisonnable. L'intérêt de ces systèmes ne réside pas seulement dans l'augmentation des vitesses de coupe, mais surtout dans 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 plus grandes. Pour que les systèmes de découpe laser à ultra-haute puissance soient pertinents, la tête du laser doit voyager loin pour fabriquer ces gadgets métalliques géants. De longues fibres doivent être utilisées pour que la lame de lumière 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 cool 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 flexibilité d'offrir des systèmes qui conviennent parfaitement au client. Suffisamment de puissance pour atteindre les objectifs d'épaisseur et de vitesse de coupe, mais pas trop pour éviter le prix élevé d'une puissance superflue. Ce modèle permet à un plus grand nombre d'applications d'adopter la technologie du laser à fibre, ce qui rend l'analyse de rentabilité plus attrayante pour les applications 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 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 le SRS est un effet non linéaire qui sera amplifié au cours de la propagation dans la fibre, la réduction de son niveau au début, lorsqu'il est 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.
Soudage
Les initiatives et réglementations écologiques incitent les consommateurs à opter pour des moyens de transport durables et à faible émission de carbone en accélérant le passage à des chaînes de traction électrifiées, ce qui fait des véhicules électriques (VE) la technologie de l'avenir pour l'industrie automobile, dont le chiffre d'affaires mondial est estimé à environ 3,56 trillions de dollars en 2023. Les VE ont été inventés il y a plus de 100 ans, mais ils n'ont pas été pertinents jusqu'aux récentes avancées dans 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 et une fiabilité extrême n'était pas envisageable 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 utiliser un niveau étonnant de contrôle du laser. Aujourd'hui, le contrôle du processus à grande vitesse est utilisé pour ajuster les paramètres du laser à l'échelle de la milliseconde pendant la soudure. Souvent réalisée à l'aide de techniques de tomographie par cohérence optique(OCT) ou de caméras à grande vitesse, cette surveillance tient compte des mouvements chaotiques du bain de fusion pour modifier soit la forme du faisceau laser, soit la puissance déposée, soit les deux. Le contrôle du processus à grande vitesse est également utilisé pour évaluer la qualité de la soudure sans avoir à effectuer de test électrique, ce qui simplifie considérablement le contrôle de la qualité.
Bien entendu, pour que ces ajustements soient pertinents, le laser doit lui-même être extrêmement stable, tant en ce qui concerne la puissance de sortie que la qualité du faisceau. La plupart des fabricants de lasers ont mis au point une technologie qui leur 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 habituellement tolérables ne sont pas acceptables pour cette application.
Fabrication additive
La fabrication additive (MA) 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 en partie 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 d'obtenir un SRS plus faible est d'utiliser le RSS (Suppresseur de diffusion Raman). Suppresseur de diffusion Raman. Désormais disponible pour les fibres monomodes et multimodes (de 5 à 35 µm de diamètre de cœur), ce filtre transmissif en ligne supprime le SRS alors que sa puissance est encore faible. Qu'il s'agisse d'utiliser un cœur plus petit pour 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 autrement impossibles.
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 maintenant déployées sur le terrain, le RSS est l'une des nombreuses innovations nécessaires pour réaliser de telles avancées dans le traitement des matériaux.
Le RSS permet de s'affranchir de certaines contraintes liées à la diffusion Raman Stimulée (SRS) ─ une puissance plus élevée, des fibres plus longues et des coûts réduits deviennent possibles.
- Pascal Deladurantaye, directeur des produits et du marketing stratégique
Avantages
- Dépendance à l'égard des basses températures
- Disponible pour les oscillateurs monomodes et les amplificateurs de puissance multimodes
- Faible perte d'insertion
- Versions personnalisées disponibles
Produits apparentés
| Produit | |
|---|---|
| Suppresseur de diffusion Raman - RSS | Voir le produit |