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Micro

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.


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).

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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