Chaîne optique

La chaîne optique des machines de fusion laser est constituée d'un collimateur, d'un beam expander, d'une tête galvanométrique (ou scanner) et d'une lentille F-thêta.

Le collimateur permet d'obtenir un faisceau de rayons parallèles en sortie de la fibre optique. Le beam expander permet d'augmenter le diamètre du faisceau laser.

La tête galvanométrique est constituée de deux miroirs effectuant des mouvements de rotation, l'un autour de l'axe X et l'autre autour de l'axe Y. Ces deux rotations permettent de déplacer le spot laser sur la surface de la zone de travail.

La lentille F-thêta est utilisée pour focaliser sur un plan le faisceau en sortie de la tête galvanométrique. Elle permet de maintenir le diamètre du spot sur le plan de travail le plus constant possible. La densité d'énergie est alors homogène sur toute la zone de fabrication.

En outre, plus le diamètre D du faisceau laser avant la lentille est important, plus il est faible en sortie d. La relation entre les diamètres d'entrée et de sortie est donnée par la formule ci-contre. Cela explique la présence du beam expander dans la chaîne optique.

Empreinte du faisceau :

Le faisceau laser, responsable de l'empreinte énergétique chargée de la fusion de la matière, provient initialement de la cavité laser. Il se propage alors dans une fibre optique ou tout autre dispositif, avant d'être collimaté puis réfléchi par des miroirs galvanométriques. Il passe enfin à travers la lentille de focalisation.

Il y a cinq besoins critiques pour tout système de balayage laser :

  • Le faisceau doit être focalisé en un point suffisamment petit (≈ 70μm) sur la surface de travail de façon à ce que la densité de puissance ou la résolution, voire les deux, soit suffisante à l'application.

  • La taille de l'empreinte ne doit pas significativement changer pendant le balayage.

  • Pour une augmentation de l'angle d'incidence à vitesse constante, la vitesse de balayage doit rester constante.

  • L'angle d'incidence du faisceau par rapport à la surface de travail doit être approprié pour l'application.

  • Les systèmes optiques doivent être adaptés à la longueur d'onde du faisceau laser.

Puissance et densité de puissance du laser :

Par définition, la puissance du laser caractérise la quantité d'énergie existant au sein du faisceau par unité de temps. Plus la puissance est importante et plus l'énergie contenue dans le faisceau, pour un même intervalle de temps donné est importante.

Toutefois, la puissance n'est pas, dans l'absolu, une donnée pertinente. Comment un faisceau laser de 50 W peut-il fondre du métal tandis qu'une ampoule de 100 W n'y parvient pas.

Ce qu'il faut prendre en compte, c'est la répartition surfacique de cette puissance, qui est régie par ce qui est appelé le « profil du faisceau laser ». Il existe différentes formes de faisceau laser, dont la plus répandue et qui est utilisée ici est la forme gaussienne. Cela signifie que l'intensité lumineuse, ou la densité de puissance surfacique, est répartie spatialement selon une courbe de Gauss tridimensionnelle par rapport à l'axe optique.

Vitesse de balayage du laser :

La vitesse de balayage décrit simplement, comme son nom l'indique, la vitesse avec laquelle l'empreinte du faisceau laser se déplace sur la surface du lit de poudre. Il se conçoit facilement que, pour une puissance donnée, une faible vitesse de balayage permet d'apporter une plus grande énergie qu'une vitesse importante. Il est possible de définir, à l'aide de ces deux grandeurs, c'est-à-dire la puissance 𝑃 et la vitesse de balayage 𝑉, l'énergie linéique 𝐸𝑙 telle que :