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Micro-usinage
du bois par impulsions laser ultra-courtes
L'usinage femtoseconde du bois
(suite)
Présentation des
expériences et des résultats
Les premiers essais ont
consisté à réaliser des découpes (carrés de 5 mm de coté) dans des
bois de différentes essences (loupe de vavona, hêtre, érable, pau
amarello et cèdre), et à différentes vitesses de défilement des
platines (1, 3, 5, 10 mm/s). Ces essais permettent d'observer l'effet du
laser femtoseconde sur des structures de bois hétérogène (loupe de
Vavona) ou homogène (érable) et sur des épaisseurs d'échantillons
différentes, de 0,6 mm pour l'érable à 1,9 mm pour le cèdre. On
constate ainsi l'effet de la vitesse de défilement sur le temps d'usinage
et la qualité de coupe.
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Figure 2 : évolution du
temps d’usinage
en fonction des vitesses de défilement
pour 3 essences

Figure
3 : chant de la découpe d’un échantillon
de Pau Amarello (vue au microscope optique

Figure 4:
chant de la découpe d’un échantillon
de hêtre (vue au microscope optique)

Figure 5a : face d’un
échantillon d’érable
usiné en mode femtoseconde

Figure 5b : face d’un
échantillon d’érable
usiné en mode nanoseconde

Figure 6a: chant de la découpe d’un
échantillon
de loupe de Vavona usiné au laser femtoseconde
en un point de focalisation approximatif

Figure 6b: chant de la découpe d’un
échantillon
de loupe de Vavona usiné au laser femtoseconde
au point de focalisation.

Figure 7 : face d’un
échantillon de hêtre avec
2 sillons débouchants formant un angle de 3°.

Figure 8: sillon non débouchant sur un
échantillon
d’érable sycomore (vue au microscope
électronique à balayage x1300).
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Dans les même conditions
expérimentales (même énergie, distance focale égale) et pour des
épaisseurs égales l'effet de la vitesse varie suivant les essences. La
figure 2 illustre le temps d'usinage de trois essences, en fonction de
différentes vitesses d'avance. On voit par exemple, que dans le cas du
hêtre (essence homogène) et de la loupe de Vavona (essence
hétérogène) pour une vitesse de 10 mm/s le temps d'usinage passe de
3,42 min à 5,5 min. Par contre pour la même vitesse l'érable (essence
homogène) présente un temps d'usinage de 3,08 min. Il semble donc que
les différentes structures ne réagissent pas de la même manière aux
impulsions femtosecondes.
Si on réalise des sillons
non débouchant afin de mesurer la profondeur d'ablation, l'exploitation
des résultats se heurte également à l'hétérogénéité du matériau.
Outre les difficultés techniques de la mesure d'échantillons de bois au
profilomètre mécanique, la définition d'une profondeur constante sur la
longueur du sillon est quasiment impossible. Si de plus la largeur du
faisceau correspond à la largeur d'une fibre, il est difficile de
distinguer le sillon creusé par le faisceau d'une trachéide.
Cependant, l'intérêt
primordial de l'usinage femtoseconde est la qualité de coupe. La figure 3
démontre la précision et la finesse de la découpe. L'observation au
microscope optique de ces échantillons confirme ce résultat.
D'après les figure 3 et 4,
les échantillons de bois ne semblent avoir subi aucune altération due
aux effets thermiques (brûlure) couramment observés lors d'usinages
laser conventionnels.
Les figures 5a et 5b
illustrent la différence entre une découpe laser femtoseconde et une
découpe utilisant des impulsions plus longues (quelque dizaines de
nanosecondes).
Cependant, le laser
femtoseconde n'est pas un outil magique, il est également capable de
brûler les chants de découpe si son procédé n'est pas complètement
maîtrisé, particulièrement en terme de qualité de faisceau et de
contrôle d'impulsion (figure 6).
D'autres types d'usinages
non débouchant ou en angle fermé démontrent que la découpe laser est
dépourvue d'effets mécaniques. Sur l'usinage en angle fermé (angle de
3°) de la figure 7, on constate que la cohésion des fibres n'est pas
altérée dans la zone critique de la pointe. Ceci se confirme sur l'image
d'une rainure non débouchante observée au microscope électronique à
balayage où les structures ne semblent pas modifiées ni écrasées même
dans le sens opposé aux fibres (figure 8).
En résumé, les résultats
présentés illustrent tout a fait les propriétés spécifiques de
l'interaction laser matière dans le cas du bois. La brièveté de
l'interaction laser bois court-circuite les phénomènes de diffusion
thermique à l'origine des effets de carbonisation des lasers
conventionnels. Cependant, comme dans le cas de l'usinage laser en
général, l'usinage femtoseconde du bois reste très sensible à la
nature de l'essence. Une étude plus poussée nécessitera de fixer les
propriétés du matériau utilisé (choix d'une espèce homogène et bien
connue par ailleurs) pour faire varier de manière systématique les
paramètres laser : densité d'énergie, durée d'impulsion mais aussi
longueur d'onde et cadence des impulsions.
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