Les outils en matériaux durs et en céramiques comme le carbure de tungstène sont particulièrement résistants à l'usure. Cependant, les outils utilisés pour leur fabrication s'usent beaucoup plus rapidement, à moins que l'outil ne soit léger. Des chercheurs de Fraunhofer ILT ont maintenant développé une chaîne de processus dans laquelle le formage et le polissage des composants en matériaux durs peuvent être réalisés avec un laser à impulsion ultracourte (UKP) sans changer le montage.
Forets, têtes de fraisage, rouleaux ou inserts de découpe en matériaux durs céramiques non seulement mordent, mais durent également significativement plus longtemps. Cependant, aussi positif que leur résistance à l'usure soit pour les temps de service en production, elle pose des problèmes dans la fabrication de ces outils. En effet, les outils utilisés pour leur formage et leur traitement de surface s'usent sur les carbures métalliques mixtes, cermets et céramiques utilisés ici. Par conséquent, l'usure est élevée lorsque les fabricants optent pour des procédés d'usinage mécanique.
Le laser UKP agit là où les procédés mécaniques atteignent leurs limites
C'est différent avec des impulsions laser ultracourtes. Même les lasers UKP commerciaux de 20 à 40 watts sont capables d'enlever efficacement les matériaux durs utilisés dans la construction d'outils. Là où leurs impulsions courtes et hautement énergétiques frappent la surface, le matériau s'évapore. Comme cela se produit avec des fréquences dans la plage des MHz, l'enlèvement de matériau par laser atteint des taux de surface allant jusqu'à 100 cm² par minute. Cependant, avec cette évaporation formante des matériaux, le potentiel du traitement UKP n'est pas épuisé.
Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la technologie laser ILT à Aix-la-Chapelle ont développé une chaîne de processus dans laquelle le même laser UKP réalise à la fois l'enlèvement de matériau formant et le polissage ultérieur des surfaces d'outils. « Le laser UKP est un outil universel avec lequel nous réalisons différentes étapes de traitement, parfois dans le même montage », déclare Sönke Vogel, chef d'équipe de l'enlèvement de structure 3D au Fraunhofer ILT, qui a fait avancer le procédé avec Astrid Saßmannshausen, cheffe d'équipe de structuration de matériaux transparents.
La clé pour relier les étapes du processus réside dans la paramétrisation du laser : tandis que l'enlèvement de matériau se fait avec une énergie d'impulsion élevée et un faible taux de répétition, c'est l'inverse pour le polissage. Le laser UKP introduit de l'énergie dans la surface de la pièce avec une fréquence d'impulsion allant jusqu'à 50 MHz, qui s'accumule là et fait fondre les 0,2 à 2 micromètres supérieurs. Le matériau ne s'évapore pas, mais forme un film de fusion qui, en raison de la tension de surface, s'aplanit de lui-même et se fige lors du refroidissement. Les propriétés de surface peuvent également être contrôlées par la gestion du processus. « Avec le polissage au laser UKP, il est par exemple possible d'aplanir les micro-irregularités tout en maintenant les structures macroscopiques », explique Saßmannshausen. De plus, il est possible avec le procédé laser de polir des surfaces 3D complexes avec une précision micrométrique. Un polissage sélectif de zones choisies est également possible pour ajuster localement les propriétés de surface ou ne polir que les zones nécessaires, ce qui permet de gagner du temps. Le polissage UKP complète ainsi le polissage macro et micropolissage laser par une approche encore plus précise et localement applicable pour le polissage de surface.
Procédé efficace pour l'usinage industriel de matériaux durs
Selon les exigences du processus, le polissage laser atteint des taux de surface de dix à 100 cm² par minute et suit ainsi presque les taux de surface de l'enlèvement de matériau précédent. « La combinaison des deux processus avec un laser dans le même montage permet aux entreprises d'élargir leur offre avec des lasers UKP déjà existants ou d'accélérer significativement l'amortissement après un nouvel achat », explique Saßmannshausen.
Mais surtout, elle est conçue pour remplacer les procédés mécaniques dans l'usinage des matériaux durs et ainsi mettre fin à l'usure d'outil parfois immense dans leur fabrication. Cela contribue non seulement à réduire les coûts, mais aussi concrètement à une plus grande efficacité des ressources et de l'énergie. Selon Saßmannshausen et Vogel, le potentiel de la combinaison de processus n'est pas encore pleinement exploité. Avec des scanners polygonaux plus rapides, des puissances laser plus élevées et des spots laser agrandis, il est possible d'augmenter considérablement les taux de surface. Les partenaires industriels intéressés sont invités à entreprendre les étapes d'optimisation en collaboration avec l'équipe de recherche du Fraunhofer ILT.
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