# Striation laser de matériaux métalliques

Christophe Vincent, Guy Monteil, Thierry Barrière, Jean-Claude Gelin, Mohamed Assoul

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Christophe Vincent, Guy Monteil, Thierry Barrière, Jean-Claude Gelin, Mohamed Assoul. Striation laser de matériaux métalliques. 17e Congrès Français de Mécanique, 2005, Troyes, France. hal-00020722

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Submitted on 28 Apr 2023

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<figure><img src="image_1.png" /></figure>

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# Striation laser de matériaux métalliques

Christophe Vincent(1), Guy Monteil(1), Thierry Barrière(2), Jean-Claude Gelin(2), Mohamed Assoul(1)

(1) Laboratoire de Microanalyse des Surfaces (LMS)

(2) Institut FEMTO-ST département mécanique appliquée
Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques
26 chemin de l'épitaphe
25000 BESANCON

## Résumé :

L'objetif du travail présenté est de montrer les conditions de réalisation et d'obtention de stries déterministes calibrées dans un matériau métallique hétérogène (fonte à graphite lamellaire) à l'aide d'un laser YAG. En particulier, seront décrites les stratégies d'usinage associées à la réalisation des profondeurs et des répartitions de stries désirées.

## Abstract :

The purpose of this study is to describe the realization of deterministic grooves in an heterogeneous metallic material (lamellar cast iron). In particular, the engraving strategies associated to the machining of the desired depth and spatial repartition of grooves will be described.

## Mots clefs :

## CAO - FAO ; striation laser.

### 1 Introduction

L'objectif de l'étude est d'obtenir des gravures de géométrie donnée et de répartition spatiale contrôlée en conservant un volume de trous par unité de surface constant. La fabrication de ces stries par laser peut se décomposer en plusieurs étapes :

* la conception des stries sous un logiciel de CAO (Catia©),

* la réalisation de la FAO en vue de l'usinage,

* l'usinage des stries par laser,

* l'élimination de la bavure.

### 2 CAO

#### 2.1 Présentation des striations tests

Chaque strie est définie par sa géométrie et son volume. Au départ, seules les stries de forme triangulaire sont étudiées. Par la suite, il viendra les stries de forme hémisphérique, rectangulaire et trapézoïdale (figure 1).

<table><caption>FIG. 1 – Tableau des profils des stries.</caption><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hémisphérique</td><td>Rectangulaire</td><td>Trapézoïdale</td><td>Triangulaire</td></tr></table>
Pour la géométrie, les stries sont classées en deux grandes catégories : les continues et les discontinues [1]. Pour les premières, elles sont repérées « C » suivi de l'angle formé par les stries entre elles. Pour les secondes, elles sont notées « D ». Les répartitions de stries proposées ont pour but d'établir une stratégie d'usinage conduisant à un volume de trous par unité de surface constant avec des répartitions spatiales variées. Tout d'abord des stries continues croisées permettant d'évaluer d'une part la stratégie d'usinage continue et d'autre part les états des trous lors du croisement de stries. Dans le cas des striations discontinues, les tests ont pour but d'évaluer les temps et les qualités d'usinage obtenues suivant les dispositions géographiques afin d'évaluer les stratégies d'usinage les plus adéquates et ce pour un volume éliminé par unité de surface constant. Par ailleurs, chaque type de dessin peut être mis sous la forme d'un motif élémentaire comme décrit sur les figures 2a et 2b.

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

## 2.2 Les fichiers CAO

Le logiciel utilisé est Catia©. La plaque de gravure est dessinée en premier lieu. Une esquisse de la forme de la strie est dessinée puis extrudée. Ensuite elle est répétée suivant sa disposition en longueur et en largeur. Enfin un retrait est effectué pour obtenir les stries sur la plaque préalablement dessinée. Cette méthode permet de changer rapidement l'allure d'une strie en modifiant son esquisse sans refaire entièrement un fichier. De même pour les répartitions où seules les valeurs des paramètres décrits dans la figure 3 sont modifiées. Seules la largeur (60µm) et la profondeur (6 µm) des stries restent inchangées. Une fois terminé, le fichier est enregistré sous format STL.

<table><caption>FIG. 3 – Tableau des dimensions des stries.</caption><thead><tr><th>Référence :</th><th>θ</th><th>D (µm)</th><th>Ls (µm)</th><th>Lp (µm)</th><th>d (µm)</th></tr></thead><tbody><tr><td>C0</td><td>0°</td><td>350</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cxx</td><td>15°, 50°, 75°</td><td>700</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>D1</td><td></td><td>210</td><td>1500</td><td>1000</td><td>250</td></tr><tr><td>D2</td><td></td><td>150</td><td>1500</td><td>1000</td><td>1250</td></tr><tr><td>D3</td><td></td><td>27</td><td>1000</td><td>1000</td><td>1000</td></tr><tr><td>D4</td><td></td><td>115</td><td>1000</td><td>1000</td><td>1000</td></tr></tbody></table>

## 3 FAO

La première étape de la fabrication de telles pièces consiste à construire le fichier FAO du tir laser. Pour ce faire, on édite le fichier CAO où le dessin ne doit cette fois comporter que la gravure à réaliser. Les coordonnées du dessin de la plaque elle-même sont retirées. Il reste ensuite à choisir le type d'usinage dont le choix est fondé sur l'angle formé par la surface avec un plan horizontal. Le tableau suivant présente les différents types d'usinage avec l'angle sélectionné.

<table><caption>FIG. 4 – Types d'usinage laser.</caption><tr><td>Angle</td><td>0° - 5°</td><td>5° - 85°</td><td>85° - 90°</td></tr><tr><td>Usinage</td><td>perpendiculaire</td><td>incliné</td><td>incliné</td></tr></table>

Suivant le type de strie gravée, la stratégie d'usinage est différente. Par exemple pour une strie rectangulaire, l'usinage des parois se fait avec l'orientation du faisceau laser perpendiculaire à la surface de la plaque. Alors que pour les stries avec les parois inclinées, la stratégie d'usinage peut varier. Soit le faisceau
laser est toujours perpendiculaire comme précédemment soit il est incliné ce qui permet un meilleur usinage des flancs des stries.

La programmation est alors réalisée de manière automatique. Une simulation d'usinage permet de vérifier la pertinence de la méthode choisie pour la gravure. Celle-ci se fait par couches successives à l'image de l'opération réelle d'usinage. A chaque profondeur usinée correspond une couleur ce qui permet de contrôler la valeur de la profondeur usinée souhaitée (la représentation donnée étant en deux dimensions). La figure 5 montre la simulation d'une gravure d'une couche supplémentaire pour des stries C15.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>FIG. 5 – Simulation de la gravure C15.</figcaption></figure>

# 4 Usinage des stries par striation laser

## 4.1 Machine de tir laser

La machine à gravure laser utilisée dans le présent travail est le modèle DML 40 SI commercialisé par Deckel Maho (figure 7). Ce modèle possède trois axes mécaniques et trois axes optiques qui permettent de fabriquer des pièces fines, relativement complexes, et d'usiner les parois verticales. La mesure de la profondeur au point choisi est réalisée pendant l'usinage par un palpeur et permet aussi un contrôle en temps réel de l'enlèvement de matière. Une commande innovatrice (LaserSoft 3D) pilote le parcours du faisceau incliné. Le faisceau laser guidé par un jeu de miroirs et de lentilles a un diamètre qui varie de 0,04 à 0,1 mm. Ce faisceau de travail a une vitesse de balayage maximale de 500 mm/s et la température de fusion est de 2000°C. Les autres caractéristiques techniques sont détaillées dans le tableau qui suit :

<table><caption>FIG. 6 – Tableau des caractéristiques techniques de la machine laser.</caption><tr><td>Axe X</td><td>300 mm</td></tr><tr><td>Axe Y</td><td>400 mm</td></tr><tr><td>Axe Z</td><td>500 mm</td></tr><tr><td>Taille de la table</td><td>300 mm × 400 mm</td></tr><tr><td>Domaine de travail du laser</td><td>60 mm × 60 mm</td></tr><tr><td>Mesure de la profondeur</td><td>palpeur</td></tr><tr><td>Rugosité de surface Ra</td><td>1 µm</td></tr><tr><td>Puissance du laser (laser YAG déclenché)</td><td>100 W</td></tr><tr><td>Longueur d'onde</td><td>1070 nm</td></tr><tr><td>Débit d'enlèvement de matière (dans l'acier)</td><td>5 mm³ / min</td></tr></table>

**Remarque** : le débit d'enlèvement de matière dans l'acier est calculé pour une intensité de faisceau laser de 69% de l'intensité maximale et une profondeur de passe de 5 µm.
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>FIG. 7 – DML 40 SI.</figcaption></figure>

La figure 8 illustre le chemin optique du faisceau laser ainsi que les composants qui permettent la genèse du faisceau et sa déviation :

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>FIG. 8 – Schéma d'obtention et de déviation du laser.</figcaption></figure>

A l'intérieur du résonateur, des ondes lumineuses cohérentes sont induites par activation lumineuse du barreau de cristal laser YAG, dont environ 40% de l'énergie sort au niveau du miroir de découplage du résonateur sous forme d'un rayon laser [2]. La déviation et le positionnement du faisceau laser sont obtenus par un ensemble de miroirs et le scanner.

## 4.2 Réglage des paramètres de tir [3]

La machine de tir laser possède dans sa version originale une base de données contenant déjà une liste de matériaux qui permettent une configuration rapide de la machine. Dans le cas des matériaux les plus courants, les paramètres de tir sont déjà présents dans cette base de données. Toutefois dans le cas présent, le substrat à usiner est de la fonte FT25 (fonte à graphite lamellaire) qui est un matériau relativement hétérogène et peu utilisé. En conséquence, il a fallu procéder à l'étalonnage du tir laser, en déterminant le débit d'enlèvement de matière dans le cas de la fonte retenue. Pour ce faire, on règle le courant de lampe du laser à partir de l'usinage d'une zone fixée du substrat (dans le cas présent un carré de 1 mm de côté). Le choix des conditions opératoires a été fixé tout d'abord sur les paramètres de tir pour l'acier. On réalise ensuite un usinage laser par passe de 2 µm jusqu'à une profondeur de 20 µm (10 passes). La profondeur est alors mesurée et l'intensité du faisceau laser est ajustée en fonction de l'écart entre la profondeur mesurée et la profondeur souhaitée. La figure 9a illustre les résultats de cette calibration. Une fois réalisé ce premier étalonnage grossier, on procède alors au réglage fin en utilisant la même méthode avec cette fois une ablation de 1 µm par passe et une mesure associée à 5 passes (soit 5 µm). La figure 9b illustre les résultats de cette calibration. On constate que le réglage final permet d'obtenir une précision sur la profondeur de l'ordre du micron dans ces conditions de travail. On se trouve alors avec une vitesse d'ablation de 5 mm³/min avec une intensité de faisceau laser de 32,33%. Cette cinétique d'ablation situe la fonte FT25 entre l'acier (intensité du faisceau de 49% pour une profondeur de passe de 2µm) et le graphite (intensité du faisceau de 26% pour une profondeur de passe de 2µm). Compte tenu de la structure de la fonte lamellaire, ce résultat est tout à fait logique.
Dans le présent travail la précision de la profondeur a été le souci majeur et en conséquence les tirs ont été effectués dans la suite de l'étude avec une profondeur de passe unitaire fixée à 1 µm.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>FIG. 9a – Graphique de la dispersion de la profondeur gravée pour une mesure tous les 20 µm.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>FIG. 9b – Graphique de la dispersion de la profondeur gravée pour une mesure tous les 5 µm.</figcaption></figure>

## 4.3 Usinage

Les opérations d'usinage en vue de la réalisation des pièces d'essai sont les suivantes :

* réglage des origines machine,

* mise en place de la pièce,

* réglage de l'origine pièce,

* réglage de l'origine programme,

* mesure de l'épaisseur de la pièce par palpeur au point zéro du programme,

* réglage de la vitesse d'ablation (choix de la fonte FT25),

* chargement du programme,

* usinage.

Les usinages des stries ont été réalisés sur des plaques en fonte FT25 sur une surface de 40 mm × 30 mm. Les stries discontinues ont été usinées par reproduction du motif de base de deux à quatre fois pour obtenir la striation totale de la plaque. Les temps d'usinage pour des stries de profil triangulaire sont donnés dans le tableau qui suit :

<table><caption>FIG. 10 – Temps d'usinage.</caption><tr><td>Plaque</td><td>C0</td><td>C15</td><td>C50</td><td>C75</td><td>D1 (x2)</td><td>D2 (x4)</td><td>D3 (x4)</td><td>D4 (x4)</td></tr><tr><td>Temps</td><td>0 h 44</td><td>2 h 10</td><td>6 h 51</td><td>17 h 12</td><td>6 h 59</td><td>4 h 37</td><td>6 h 53</td><td>6 h 53</td></tr></table>

Lors de la gravure laser sur la fonte, il apparaît sur les flancs de la strie gravée des bavures de part et d'autre de la strie (figures 11 et 12). Pour toute utilisation d'une pièce comme celle-ci, il est nécessaire d'éliminer ces bavures. Pour ce faire, il faut de connaître à priori la hauteur des bavures. La figure 13 montre les valeurs typiques des hauteurs de bavure obtenues pour différentes variantes de tir laser.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>FIG. 11 – Bavure après usinage laser.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>FIG. 12 – Images en 3D des stries.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>FIG. 13 – Taille de la bavure et diagramme correspondant.</figcaption></figure>

Cette bavure est éliminée par rodage manuel sur une table à roder. Malheureusement celle-ci ne peut être éliminée de manière uniforme sur toute la plaque [4]. En effet, les plaques ne sont pas parfaitement planes et lors du rodage, on s'aperçoit que ce sont d'abord les contours qui sont rodés. C'est-à-dire que lorsque la bavure est complètement éliminée au centre de la plaque, les stries sur l'extérieur de la zone gravée sont moins profondes. Le tableau suivant montre les hauteurs de bavure pour la plaque C0 avec pour le deuxième et le troisième rodage les dimensions de celle-ci sur l'intérieur (colonne de gauche) et l'extérieur (colonne de droite) de la plaque.

<table><caption>FIG. 14 – Evolution de la bavure au cours du rodage.</caption><thead><tr><th>Eprouvette</th><th>Taille de la bavure (µm)</th><th>1er rodage</th><th colspan="2">2ème rodage</th><th colspan="2">3ème rodage</th></tr></thead><tbody><tr><td>C0</td><td>24</td><td>11</td><td>8</td><td>3</td><td>3</td><td>0</td></tr></tbody></table>

## Remerciements

Les travaux de recherche présentés sont le résultat de la collaboration entre l'ENSMM (Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques), l'Ecole des Mines de Paris/ARMINES, Total, JPX, PSA (Peugeot-Citroën), Renault et l'ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie). Les auteurs remercient gracieusement le soutien des partenaires.

## References

[1] Rapport interne d'activités ENSMM sur projet ADEME, *Structuration des surfaces*, 2003.

[2] Documentation Lasersoft 3D, Pfronten GmbH, version 2.5.8, pp 18.

[3] Christophe Vincent, rapport de projet de fin d'études, *la striation laser de matériaux métalliques*, ENSMM, 2004, pp 12.

[4] Ulrich Klink, *Laserbonen für Zylinderlaufbahnen*, Motortechnische Zeitschrift 58, 1997, pp 554-556.