La technique laser flexible garantit la mobilité de demain

06.11.2019 - 01:00

Lors de la mutation des techniques de production aboutissant à l’électromobilité, des systèmes laser flexibles assument des fonctions clés – l’IA améliore les processus laser

La mobilité évolue. L’accent est mis sur la propulsion électrique. Une chose est sûre : l’électromobilité va jouer un rôle important à l’avenir. Elle dépasse largement le cadre de l’automobile. Tracteur, autobus, bateau, train, moto, scooter, vélo ou même avion : la vague de l’électrification est lancée et se propage successivement. « Les véhicules avec moteur à combustion vont continuer d’exister pendant un certain temps. Il est toutefois prévu qu’en 2030, les véhicules électrifiés représentent environ, à l’échelle mondiale, un cinquième des 120 millions de véhicules nouvellement immatriculés. Et la technique laser va revêtir une importance déterminante en production. » déclare Gerhard Hein, directeur du Groupe de travail « Laser et procédés pour l’usinage des matériaux » au sein de la VDMA (Association allemande des constructeurs de machines et d’équipements).

LASYS 2020 : The place to be(am)

L’avènement de l’électromobilité bouleverse radicalement la production. Un salon professionnel international comme le LASYS 2020 arrive à point nommé. Il accompagne le changement dans les techniques de production et met à disposition une plateforme utile, taillée sur mesure pour l’usinage laser des matériaux dans toute sa diversité. Le salon LASYS revient pour sa septième édition en 2020. Il devient « place to be(am) », un important lieu de convergence intersectoriel, où se rencontrent des fabricants de systèmes et d’installations laser, des intégrateurs, des prestataires de services et des utilisateurs de laser. La mobilité électrique n’est cependant que l’un des nombreux thèmes tendances qui seront sous le feu des projecteurs à l’occasion du salon LASYS, qui se tiendra du 16 au 18 juin 2020 dans les pavillons de la Messe Stuttgart.

De nouveaux défis pour les systèmes laser

« L’électromobilité en est encore à ses premiers balbutiements » explique Johannes Bührle, membre de la direction du secteur automobile chez Trumpf, « mais la ‘compétition’ a commencé depuis longtemps. Dans l’optique de la fabrication, il s’agit de concilier manufacture et production de masse. ». Selon Bührle, de nombreuses conceptions de produits en sont encore actuellement au stade du développement et de l’optimisation :
« Les outils de fabrication et de production doivent par conséquent être élaborés avec une flexibilité suffisante pour pouvoir réagir face à des modifications de conception radicales et à l’utilisation croissante de matériaux nouveaux et différents. »
Les tâches prises en charge par les systèmes laser lors de la production de véhicules électriques sont diversifiées. Cela concerne d’une part la construction allégée et les structures de carrosserie, optimisées par le « Load-Compatible Component Design » (conception de composants adaptée à la charge). Des processus de traitement laser rentables, par exemple pour l’acier, l’aluminium, les matériaux composites renforcés par fibres, ainsi que des procédés laser additifs, jouent ici un rôle essentiel.
On requiert d’autre part pour la production des batteries, les modules de l’électronique de puissance et de commande pour transmission électrique et pour la transmission électrique proprement dite des installations laser innovantes de type nouveau, permettant essentiellement un usinage efficace et fiable de métaux non ferreux comme le cuivre et l’aluminium – assemblage ou coupe, par exemple.

Optimisation du poids grâce à une gamme variée de technologies laser

L’objectif de la « construction allégée » consiste à optimiser le poids d’un véhicule tout en garantissant une stabilité élevée. À cet égard, les experts attendent beaucoup des procédés de fabrication additive par laser.
« Dans le secteur automobile, des arbres de commande réalisés par fabrication additive permettent d’atteindre des réductions de poids de plus de deux tiers. Il en va de même pour les caissons de batterie en structure en treillis ou pour les échangeurs de chaleur haute performance, dont les nouvelles structures de conception se traduisent par une compacité nettement augmentée et une excellente efficacité fonctionnelle », explique Hein.

En ce qui concerne la conception adaptée à la charge et flexible des composants de véhicules, l’Institut Fraunhofer des techniques des matériaux et des rayons (IWS) poursuit par exemple l’approche d’une amélioration individuelle de structures de carrosserie anti-collision. « Nous examinons dans ce contexte des pièces comme les pare-chocs, le cadre de batterie, le châssis et les structures générales du véhicule. Nous renforçons les pièces aux endroits précis où cela est nécessaire. Nous exploitons pour cela le traitement laser local de structures en tôle et les techniques de la fabrication additive locale, par exemple pour doter des profilés de nervures de renfort. Nous réalisons également une conception renforcée individuelle par une trempe au laser locale d’aciers au carbone en des points sélectionnés », explique Jens Standfuß, responsable du secteur Assemblage de l’IWS. La liaison directe d’un métal avec un thermoplastique renforcé par fibres constitue une deuxième approche centrale de l’Institut, implanté à Dresde. Leur réchauffage bref par laser et induction génère une combinaison d’assemblage collé et d’imbrication mécanique. « La solution passe par la structuration laser des surfaces métalliques utilisées. La surface est nettoyée, elle se dilate et subit des modifications chimiques, générant des structures à correspondance géométrique. En comparaison avec des assemblages collés classiques, on n’a pas besoin de matériau supplémentaire et il s’agit d’un
processus d’assemblage laser rapide » ajoute Standfuß.

Soudage efficace de métaux non ferreux au laser

Des matériaux qui sont de bons conducteurs de l’électricité, comme le cuivre, sont indispensables pour les éléments, modules et packs de batteries, l’électronique de puissance et de commande pour transmission électrique et le moteur électrique. Leur usinage représentait jusqu’à présent un défi pour les systèmes laser. « Nous sommes la première entreprise au monde à avoir mis au point un laser à diode ‘bleue’ d’une longueur d’onde de 450 nm associée à une puissance laser supérieure à 1 kW, qui augmente l’absorption de lumière à plus de 60 % dans le cas du cuivre. En effet, les systèmes à laser infrarouge n’atteignent que deux à cinq pour cent, en raison de l’importante réflexion lumineuse » déclare Simon Britten, Innovation Manager, New Business Development chez Laserline. Britten poursuit : « L’apport d’énergie dans le cuivre peut maintenant être défini avec une grande précision ; cela ouvre la voie à de nouveaux processus, tels que le soudage par conduction thermique, sans évaporation ni capillaires de vapeur. Ces processus sont pratiquement exempts de projections. Cela va plus loin encore : la refusion définie du cuivre permet d’envisager de nouvelles possibilités de conception des processus de soudage au laser. » Les systèmes laser de Trumpf opèrent ici dans le domaine spectral vert avec une longueur d’onde de 515 nm. « Ils se basent sur la technologie du laser à disque et permettent d’obtenir, avec une puissance initiale de 1kW et une qualité de faisceau de 2 mm x mrad, une qualité de cordon de soudure et une efficacité énergétique encore jamais réalisées, même dans le cas de matériaux hautement réfléchissants comme le cuivre », explique Bührle, expert chez Trumpf.

Technologie « hairpin » : interaction optimale d’un grand nombre de composants

Les nouveaux systèmes laser susmentionnés sont par exemple mis en œuvre en technologie « hairpin », pour le soudage laser du stator. Selon Trumpf, seul ce procédé peut rentabiliser la production automatisée en grande série des stators destinés au moteur électrique. Dans le cas de la technologie « hairpin », un pistolet à air comprimé envoie un fil de cuivre rectangulaire, semblable à une épingle à cheveux, dans la gorge du stator. Les « hairpins » sont décapées au laser, entrelacées et soudées par faisceau laser. Cela peut paraître simple, mais exige une interaction sans faille entre système laser, optique, traitement numérique de l’image et contrôle de processus », explique Bührle. Rainer Franke, responsable de la division Laser Optics, Laser Components, ne peut que partager cette opinion : « Les optiques laser contribuent largement à la précision des procédés de soudage laser et d’autres processus de fabrication destinés à la mobilité électrique. Nous veillons à ce que les optiques soient parfaitement adaptées à l’usage prévu. Pour des exigences spéciales, il est possible de réaliser des formes de faisceaux différentes avec des éléments optiques diffractifs. En raison des énergies élevées des lasers industriels, un seuil d’endommagement laser élevé de toutes les optiques constitue un critère déterminant. »

Fonctionnement durable et efficacité énergétique des installations laser automatisées

« Pour couvrir les besoins croissants de l’industrie automobile en modules électriques prêts au montage, on a impérativement besoin d’installations de productions automatisées clés en main, intégrant des processus de montage, laser et de contrôle ainsi que des systèmes de traçabilité de toutes les données produits et machines », déclare Jörg Lässig, gérant de SITEC Industrietechnologie. L’entreprise, implantée à Chemnitz, relève ce défi en proposant des installations laser automatisées d’un type nouveau, par exemple pour les processus de soudage sur les modules de l’électronique de puissance et de commande pour transmission électrique, les stators ou les plaques bipolaires pour les piles à combustible. Lässig souligne : « Pour nos installations laser, nous mettons à la fois l’accent sur la rentabilité et sur une production écologique, durable et verte. Nous obtenons par exemple une exploitation améliorée et plus efficace sur le plan énergétique par l’intégration de sources de rayon laser adaptées à l’application, au rendement global élevé, ainsi que par un taux d’utilisation optimal du laser par des concepts d’installations adaptés aux processus. »

Simon Britten (Laserline) considère également l’établissement d’une électromobilité durable en Europe comme un défi. « Avec la lumière laser ‘bleue’, nous y contribuons, car cela autorise des processus de production efficaces en termes de ressources. Ce rayonnement laser peut être pour la première fois généré directement, sans conversion de longueur d’onde. En association avec l’absorption élevée dans le cas du cuivre, il sera ainsi possible d’augmenter considérablement, à l’avenir, l’efficacité globale des processus. Nous souhaitons également explorer de nouvelles possibilités d’application en dehors de l’usinage du cuivre, car l’interaction de nombreux matériaux avec cette longueur d’onde demeure encore en partie inconnue. »

L’IA et les procédés laser additifs sont porteurs d’avenir

Personnalisation, structures de coûts améliorées, efficacité énergétique, mise en œuvre optimisée des matériaux, sécurité des processus et qualité vont certainement continuer de poser des défis pour la production de véhicules électriques, même à l’avenir. Gerhard Hein (VDMA) explique : « Dans le cas de petites séries et d’un réel besoin de personnalisation, la rentabilité des technologies basées sur l’outillage se heurte clairement à des limites. Pour la production en série personnalisée de composants de véhicule qualitatifs, au poids optimisé, les procédés de fabrication additive intégrant un laser, tels que le rechargement par dépôt laser (Laser Metal Deposition) ou la fusion au laser sur lit de poudre (Laser Metal Fusion) sont des solutions envisageables. » Les experts de Trumpf voient une autre approche de solution importante dans l’intelligence artificielle (IA). Bührle prédit : « L’IA devrait à l’avenir améliorer considérablement nos processus de production et d’assurance qualité. Elle pourrait par exemple détecter dans le cas de la technologie « hairpin » les moteurs électriques ne satisfaisant pas à des critères de soudage prédéfinis. Nous travaillons actuellement à une IA qui effectue cette tâche de manière autonome. »

Comme le montrent les exemples ci-dessus, la branche fait face aux défis présents et futurs et élabore des solutions de fabrication laser intelligentes, hautement productives et surtout flexibles. Le salon LASYS présente la diversité du laser dans l’usinage des matériaux – au-delà des limites de la construction automobile. Le salon s’adresse entre autres aux secteurs suivants : construction de machines, d’équipements et d’appareils, industrie électronique, industrie optique, industrie d’usinage des métaux, techniques médicales, industrie plastique, fabrication d’outils et de moules.

À propos du salon LASYS

Le salon LASYS se tiendra du 16 au 18 juin 2020 dans le parc des expositions de Stuttgart. C’est le seul salon professionnel international dédié aux solutions système relevant du domaine de l’usinage laser des matériaux. Depuis la première édition du salon en 2008, il s’est forgé une solide réputation en qualité de plateforme utilisateur pour les solutions systèmes et applications laser. Par son concept intersectoriel et interdisciplinaire, le salon LASYS s’adresse tout particulièrement aux décideurs de l’industrie internationale.

L’offre d’information destinée aux visiteurs du LASYS est complétée par d’autres expositions spécialisées organisées en parallèle : Global Automotive Components and Suppliers Expo, Engine Expo, Automotive Interiors Expo, Automotive Testing Expo, Surface Technology Germany et CastForge (salon de la fonderie, de la forge et de l’usinage).

Vous obtiendrez des informations complémentaires sur le site www.lasys-messe.de
Follow us: www.twitter.com/Lasys_TradeFair

Vous pouvez télécharger le fichier texte, les photographies du salon LASYS et les logos du salon sur le site Internet : www.lasys-messe.de/presse


Encadré
Comment la production de véhicules électriques profite de la technique laser

  • Conception de composants optimisés en termes de poids et de matériaux, adaptée à la charge
  • Liaison thermique directe du métal et d’un thermoplastique renforcé par fibres
  • La technique laser autorise des processus de production efficaces en termes de ressources
  • Processus d’assemblage rapides garantissant une qualité de cordon de soudure élevée, même dans le cas de métaux non ferreux
  • Grâce à des procédés laser additifs, la production en série personnalisée devient rentable
  • Les systèmes laser peuvent réagir en souplesse face à des modifications de design et à l’utilisation de nouveaux matériaux
  • Les approches basées sur l’IA peuvent améliorer les processus de production et d’assurance qualité


Propositions de légendes de photographies

LASYS-20-PM03-IWS- Mobilitaet : En ce qui concerne la conception adaptée à la charge et flexible des composants de véhicules, l’Institut Fraunhofer des techniques des matériaux et des rayons (IWS) poursuit par exemple l’approche d’une amélioration individuelle de structures de carrosserie anti-collision. Voici un essai de traitement laser local d’une zone hautement sollicitée d’un élément de structure de carrosserie à prendre en considération en cas de collision
Crédit photo : Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik

LASYS-20-PM03-Lasercomp : Des éléments optiques diffractifs de Laser Components forment le rayon optimal pour les applications industrielles, telles que l’usinage des composants d’électromobilité
Crédit photo : Laser Components GmbH

LASYS-20-PM03-Laserline : Avec les systèmes laser de Laserline, faisant appel à la ‘lumière bleue’, l’apport d’énergie dans le cuivre peut maintenant être défini avec une précision rendant possible de nouveaux processus de soudage par conduction thermique, sans évaporation ni capillaires de vapeur. Il en résulte des processus exempts de projections.
Crédit photo : Laserline GmbH

LASYS-20-PM03-Sitec- Bild1 : Les installations de production automatisées clés en main de SITEC Industrietechnologie mettent l’accent sur la rentabilité et la durabilité lors de la production de composants destinés à la mobilité électrique. Des installations laser automatisées d’un type inédit soudent avec un niveau de qualité élevé des « hairpins » en cuivre sur le stator du moteur électrique.
Crédit photo : SITEC Industrietechnologie GmbH

LASYS-20-PM03-Sitec- Bild2 : SITEC Industrietechnologie relève les défis posés par la mobilité en proposant des installations laser automatisées d’un type nouveau, par exemple pour les processus de soudage sur les modules de l’électronique de puissance et de commande pour transmission électrique, les stators ou, comme ici, les plaques bipolaires pour les piles à combustible.
Crédit photo : SITEC Industrietechnologie GmbH

LASYS-20-PM03-Trumpf : Des installations laser de Trumpf effectuent un décapage laser des « hairpins », qui sont ensuite entrelacées et soudées par rayon laser. Selon Trumpf, seule la technologie « hairpins » peut rentabiliser la production automatisée en grande série des stators destinés au moteur électrique.
Crédit photo : Trumpf GmbH & Co. KG

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