Leçon 13.6Micro et nanoChapitre 13 · Micro- et nanofabrication

Usinage laser femtoseconde

Enlève de la matière avec des impulsions laser ultracourtes, sans fondre

L'usinage laser femtoseconde découpe, perce et texture la matière avec des éclairs laser qui durent moins d'un millième de milliardième de seconde. Chaque éclair vaporise une fine couche avant que la chaleur puisse se propager, donc les bords sortent nets au lieu d'être fondus. Les fabricants de stents cardiaques, de verres de protection de téléphones et d'injecteurs de carburant l'utilisent là où même un léger dégât thermique compte.

Photo : paul_houle, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons

usinage laser femtoseconde · la machine et un zoom sur le point d'impactLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous ; les deux vignettes encadrées zooment sur l'endroit où la lumière rencontre la matière.

Comment ça marche

Produire des impulsions ultracourtes. Un oscillateur (le cœur du laser qui produit les impulsions) émet un train régulier d'impulsions faibles. Chacune dure de dizaines à centaines de femtosecondes (une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde).
Les amplifier. Un amplificateur étire chaque impulsion, augmente son énergie, puis la comprime de nouveau. Cette astuce, l'amplification d'impulsions à dérive de fréquence, a remporté le prix Nobel de physique 2018.
Viser et focaliser. Un scanner (deux miroirs qui tournent vite) dirige le faisceau. Une lentille le focalise en un point de quelques microns de large (un micron, ou µm, est un millième de millimètre).
Ablation à froid. L'impulsion dépose son énergie plus vite que les atomes ne peuvent passer la chaleur à leurs voisins. Une fine couche est ablatée, c'est-à-dire arrachée sous forme de vapeur et de plasma (gaz chaud et chargé), avec presque aucune fusion.
Balayer le trajet. Des centaines de milliers d'impulsions par seconde ou plus tracent le trajet programmé, couche par couche, pour découper, percer ou texturer. Focalisées à l'intérieur d'un verre transparent, les impulsions peuvent même écrire des canaux sans toucher la surface.

Chiffres clés

Matériaux: Presque tout : acier, titane, nitinol (un alliage à mémoire de forme), verre, saphir, céramiques, polymères, même le tissu de l'œil
Pièces typiques: Stents cardiaques, micro-trous dans les injecteurs de carburant et les cartes électroniques, découpes dans les verres de protection de téléphones, surfaces texturées
Taille de pièce: Détails d'environ 1 µm à des millimètres ; pièces en général petites ou minces (tubes, tôles, feuilles)
Précision: Typiquement quelques microns ; détails jusqu'à environ 1 µm
État de surface: Bords nets, sans bavures, avec presque aucune zone affectée thermiquement (la bande de matière altérée par la chaleur)
Taille de série adaptée: Des prototypes aux grandes séries de pièces de grande valeur (stents, verres de téléphones, feuilles de batteries)
Coût d'outillage et de machine: Pas d'outillage ; un poste laser coûte typiquement plusieurs centaines de milliers de dollars
Vitesse: Des centaines de milliers d'impulsions par seconde, mais enlèvement massif lent : typiquement des millimètres cubes par minute

Atouts et limites

Atouts

Presque aucun dégât thermique : pas de bavures, de bords fondus ni de fissures
Fonctionne sur le verre, le saphir, les céramiques et les plastiques sensibles à la chaleur
Détails à l'échelle du micron, sans contact ni usure d'outil
Peut modifier l'intérieur du verre sans toucher sa surface

Limites

Enlève la matière lentement comparé aux lasers conventionnels
Les sources laser sont chères et complexes
Régler l'énergie, la cadence et le recouvrement des impulsions est délicat
Convient aux petites pièces et aux sections minces ; les fumées demandent une aspiration

Où on l'utilise

Dispositifs médicauxStents coronaires, cathéters, micro-aiguilles
Électronique grand publicVerres de protection de téléphones, protections d'appareils photo en saphir, découpes d'écrans
ÉlectroniqueMicro-vias (minuscules trous reliant les couches d'une carte électronique), découpe de plaquettes
BatteriesDécoupe et structuration des feuilles d'électrodes
Chirurgie de l'œilVolets cornéens pour le LASIK, étapes de la chirurgie de la cataracte
Automobile et aéronautiqueTrous d'injecteurs de carburant, trous de refroidissement, textures de surface réduisant le frottement

Comment le reconnaître

En général, on ne peut pas : les détails font quelques microns de large et finissent cachés dans des stents, des téléphones, des cartes électroniques et des moteurs.
Des bords coupés dans le verre ou le métal qui paraissent parfaitement propres, sans couleur de brûlure, sans bavure et sans perles de métal resolidifié.
À la loupe, de micro-trous ronds nets, souvent légèrement coniques (plus larges du côté où le laser est entré).
Un métal texturé au laser qui chatoie de couleurs d'arc-en-ciel : les impulsions laissent des rides assez fines pour séparer la lumière en couleurs.

À comparer avec

Découpe laser6.2un faisceau continu ou à impulsions plus longues fait fondre et chasse la matière ; bien plus rapide, mais il laisse un bord affecté thermiquement.Faisceau d'ions focalisé13.5enlève de la matière avec un faisceau d'ions (atomes chargés) sous vide ; plus fin, jusqu'aux nanomètres, mais bien plus lent.Polymérisation à deux photons13.8utilise le même genre de laser pour construire plutôt qu'enlever, en durcissant la résine seulement au point focal.

À regarder

SME Media · Un aperçu simple de ce que les impulsions ultracourtes peuvent faire

CMS Laser · Découpe de motifs de type stent dans de fins tubes métalliques

Spectra-Physics an MKS Brand · Gros plans de micro-découpes et de trous nets

TRUMPFtube · Perçage de cartes électroniques à cadence de production

Voir de vraies photos

Wikipédia : Ablation laser — comment les lasers pulsés enlèvent la matière ; peu de photos
Wikipédia : Impulsion ultracourte — ce que sont les impulsions femtoseconde et comment on les produit
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Des impulsions plus courtes que le temps dont la chaleur a besoin pour se propager enlèvent la matière sans la faire fondre.
Il usine presque tout matériau, verre et tissus compris, avec des détails au micron.
Le prix à payer, ce sont des lasers coûteux et un enlèvement lent, donc il convient aux petites pièces de grande valeur.