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Innovation & Industrie 50 > Innovation industrielle

Souder les plastiques sous l’action de la lumière

La question de savoir comment joindre des pièces en plastique durablement en haute qualité obsède les chercheurs depuis que ces matériaux existent. LASYS, le salon professionnel international de l’usinage des métaux par laser, fera le point sur l’état de l’art du 12 au 14 juin 2012 à Stuttgart.

Les matières synthétiques thermoplastiques sont soudées au laser depuis la fin des années 1990, mais le procédé est encore et toujours considéré comme très innovant. Dans la pratique, on rencontre le plus souvent le soudage laser par transparence. Pour ce procédé, l'un des composants à souder doit être transparent à la longueur d'onde du laser, l'autre doit absorber l'énergie du faisceau laser (par exemple un plastique avec adjonction de suie). L'énergie absorbée est transformée en chaleur qui se transmet à l'autre composant par conduction quand on presse les pièces l'une contre l'autre. Les composants fondent à l'interface en formant le joint qui assemble les deux pièces durablement. Les lasers mis en oeuvre sont la plupart du temps des lasers à diode efficaces dont la puissance relativement faible et la qualité du faisceau suffisent totalement pour souder les plastiques.
« Le soudage des plastiques au laser est très différent du soudage des pièces métalliques », explique Frank Brunnecker, le vice-président de la division Laser Welding de LPKF Laser & Electronics AG d'Erlangen, « puisque le faisceau laser pénètre d'abord le premier matériau transparent au laser et ne libère son énergie que dans le deuxième plastique absorbant sous-jacent ». Le résultat est un joint de qualité sans bavure, solide et sans défaut visuel dans un processus particulièrement économique.
Peter Bruns, responsable du département Applications et service technique chez LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH de Dortmund, ajoute que « le soudage laser par transparence permet des applications difficiles ou même impossibles à réaliser avec les procédés traditionnels ». L'avantage déterminant par rapport à la plupart des autres procédés d'assemblage est l'action réciproque directe et sans contact du rayon laser sur la matière plastique. À l'inverse, le procédé concurrent de soudage par ultrasons est tributaire du bon contact mécanique des sonotrodes avec le plastique. Peter Bruns indique un avantage supplémentaire : « Le soudage laser par transparence permet l'intégration optique d'un dispositif de surveillance en ligne, par exemple le contrôle des performances du laser diode et le contrôle ou le réglage de la température de soudage, ce qui n'est pas possible avec les méthodes de soudage mécaniques. »
LIMO met en oeuvre pratiquement tous les procédés connus : soudage en mode contour, soudage quasi-simultané, soudage simultané, soudage au pochoir. À LASYS 2012, LIMO exposera un microsystème optique réfractif permettant de réaliser des faisceaux personnalisés (lignes, surfaces, cercles, anneaux) efficaces. Bruns explique :
« Le soudage en mode simultané de tout le contour en un seul passage permet une sécurité de process optimale avec une très bonne homogénéité et une très bonne attaque des flancs grâce aux profils d'intensité du faisceau laser adaptés aux propriétés du matériau.». Un exemple d'application est le M-Shaper pour le soudage en mode contour avec des systèmes de laser à diode assistés par fibres optiques : « Le profil d'intensité du spot laser correspond à une répartition de l'énergie sur une tache ronde optimale pour le soudage avec un minimum d'énergie définie situé au centre. » On obtient ainsi des cordons de soudure particulièrement homogènes non poreux, sans projections ni collages, comme ils sont exigés par exemple pour le soudage de film plastique avec une marge de jeu de process très réduite.
« En particulier, l'industrie automobile n'est plus concevable sans l'outil laser », déclare Thilo von Olnhausen, responsable marketing chez ACSYS Lasertechnik GmbH à Kornwestheim. Le centre de traitement au laser Barracuda aurait été modifié spécialement pour le soudage des hublots de tachymètre, le boîtier étant soudé au verre en plastique transparent par laser. « L'avantage de cette méthode est qu'il ne faut ni vis ni aucune autre fixation comme des pinces ou de la colle, et que le plateau rond réversible permet un chargement parallèle », précise Thilo von Olnhausen. Le faisceau laser est transmis dans le hublot transparent du compteur de vitesse et absorbé par le boîtier opaque sous-jacent. Von Olnhausen : « Le plastique est chauffé en une fraction de seconde au dessus du point de fusion et se liquéfie, la chaleur ponctuelle du plastique sombre fait fondre le plastique transparent du hublot, et les deux plastiques sont soudés ensemble solidement après le refroidissement ».
Les tendances d'avenir présentent des similitudes avec l'usinage des métaux : l'évolution va en direction de solutions multifonctions économiques et compactes. « Un centre de traitement doit réaliser autant d'opérations que possible à coût réduit, en temps réduit, et en qualité parfaite en une seule étape », précise von Olnhausen. La réponse aux exigences de plus en plus sévères est fournie par ACSYS sous forme du système de traitement laser Barracuda Multi qui sera présenté à LASYS. Ses spécialités sont le marquage, la découpe, la gravure et le soudage des plastiques. Équipé d'un système multi-têtes en option, il peut traiter plusieurs faces d'une pièce en même temps. Le dispositif Live-Adjust-System (LAS) simplifie encore davantage le chargement : la pièce peut être positionnée avec précision à l'aide d'une caméra, ce qui réduit le temps fixe.
Les derniers développements utilisant des longueurs d'onde plus grandes du laser à diode ont abouti à des systèmes permettant de souder deux plastiques transparents. Selon Frank Brunnecker de LPKF : « Des nouveaux produits avec des longueurs d'onde longues entre 1470 et 1550 nm et une puissance suffisante du laser sont disponibles ; ils permettent une absorption intrinsèque suffisamment importante dans les plastiques laissant passer les longueurs d'onde courtes, de sorte qu'il est possible de souder ces matières. » Dans cette région spectrale, la plupart des plastiques absorberaient le rayon laser même sans adjonction de pigments absorbants. « Le défi pour chaque soudure au laser réside dans l'accord entre le design et le matériau de la pièce à traiter, dans le choix de la méthode de soudage au laser appropriée, et dans la technique d'ingénierie. » Ces soudages transparent/transparent en qualité visuelle maximale sont de plus en plus importants, en particulier pour les technologies médicales où la sécurité et l'hygiène
sont vitales. Le traitement au laser est non-abrasif et n'utilise aucun additif comme les colles. Par ailleurs, le soudage au laser offre plusieurs possibilités d'intégrer le contrôle qualité dans le processus. Bruns : « En guise d'exemple, on a la surveillance du chemin de cordon, le contrôle pyrométrique du réchauffement du cordon ou la méthode brevetée du diagnostic par réflexion. »

Eric Roubert avec le LASYS