Additive manufacturing processes

Additive manufacturing processes make it possible to produce a part thanks to the successive deposits of layers of material. In recent years, laser additive manufacturing processes have developed considerably with the arrival of new technologies combined with laser sources which have contributed to this boom within industrial sectors. The integration of laser additive manufacturing machines into the production chain helps reduce costs and waste. This type of process offers the possibility of manufacturing a wide variety of parts according to various geometries and materials.
Additive manufacturing on a powder bed is used for small parts requiring high deposition precision. Additive laser manufacturing by powder spraying or by adding wire is more suitable for large parts and higher production rates. Industrial Laser Systems supports manufacturers in implementing these innovative laser additive manufacturing solutions in order to improve their production capacities and has the means for demonstrations and tests on site or near our partners.

Laser additive manufacturing with wire feed

This process, close to laser brazing, is called laser-wire additive manufacturing (or WLAM for Wire Laser Additive Manufacturing). Less expensive than powder, the use of wire as a filler metal guarantees a 100% material yield and eliminates the constraints associated with the management of powders. The laser beam allows better control of heat input compared to arc-wire additive manufacturing processes. This feature makes it possible to limit thermal deformations during deposition cycles while improving the properties of the post-process part. Current research still needs to deepen knowledge of the process in order to diversify the materials that can be deposited. The first parts produced allow a wide variety of applications to be envisaged, including reloading, repairing or creating a 3D volume. Several research programs have been launched in France (which includes Industrial Laser Systems) and in Europe in order to better understand and expand the applications of this new laser-wire additive manufacturing process.

Powder spray laser additive manufacturing (LMD)

Based on the same technology as that used for the repair of aeronautical parts, the powder is projected and melted by a laser beam leaving a high pressure nozzle (reloading head). This process makes it possible to produce parts of greater volume but require draconian protection due to the environment in which the powder is sprayed: entry airlock, room under pressure, suit for operators with air filtration, recycling of powders, etc.

Industrial Laser Systems has manufactured for a major aerospace customer an additive powder spray laser construction machine, integrating a robot and two diode laser sources in a controlled atmosphere enclosure. This LMD machine allows the production of prototype parts but also the repair of specific parts.

Powder bed laser additive manufacturing (SLM)

The democratization of consumer 3D printing has changed the function of deposited parts and the way we design them. SLM-type laser additive manufacturing makes it possible to produce ceramic, metallic or polymer parts from the fusion of successive layers of powder. Used for the production of small parts, SLM machines allow high dimensional precision to be achieved on parts of high geometric complexity. Industrial Laser Systems is one of the players in this field and for several years has been manufacturing SLM type machines for a large internationally renowned industrialist as well as special machines for research laboratories.

Additive manufacturing machines on powder beds

Laser cutting

Laser cutting is mainly used for flat cutting of sheet steel, aluminum or any other type of material. This cutting process generally uses CO2 laser sources or fiber laser sources. CO2 lasers are systematically used on machines with Cartesian axes of the X, Y, Z type (comparable to a conventional machine tool).

The wavelength emitted by CO2 lasers is 10.6 µm. The power of CO2 laser can reach several kilowatts which allows cuts with clean edges but thermally very affected. These low cost sources, however, have a very poor energy efficiency since it is less than 10%. In addition, their maintenance is frequent and generates a significant additional cost.

With a shorter wavelength at 1.07 µm, fiber lasers are easier to integrate into a laser machine. They are increasingly seen as an alternative to CO2 lasers because of their better performance and ease of integration. Fiber lasers can thus be mounted on a robot allowing a multitude of cutting configurations. In addition to an efficiency of around 25% and a reduced need for maintenance, the fiber laser limits heat-affected areas.

Depending on the type of materials, the cutting precision and the size of the part, it is possible to use other laser sources with characteristics better suited to the required applications (medical, watchmaking, semiconductor, electronics, etc.). Sources with very short pulse durations of the order of a femto second are used for very fine cuts and do not generate a thermal affect zone so as not to degrade the properties of the part at the level of the cutting zone .

La découpe laser

La découpe laser est principalement utilisée pour la découpe à plat de tôle en acier, aluminium ou tout autre type de matière. Ce procédé de découpe utilise généralement des sources laser CO² ou des sources laser à fibre. Les laser CO² sont systématiquement utilisés sur des machines à axes cartésiens de type X,Y,Z (comparable à une machine-outil conventionnelle).

La longueur d’onde émise par les lasers CO² est de 10,6 µm. La puissance des laser CO² peuvent atteindre plusieurs kilowatts ce qui permet des découpes à bords propres mais thermiquement très affectés. Ces sources à bas coûts ont cependant un très mauvais rendement énergétique puisqu’il est inférieur à 10%. De plus leur maintenance est fréquente et engendre un surcoût significatif.

Avec une longueur d’onde plus courte à 1,07 µm, les lasers à fibre sont quant à eux plus simples à intégrer dans une machine laser. Ils sont de plus en plus envisagés comme une alternative aux lasers CO² du fait de leur meilleur rendement et de leur facilité d’intégration. Les lasers à fibre peuvent ainsi être montés sur un robot permettant une multitude de configurations de découpe. En plus d’un rendement de l’ordre de 25% et d’un besoin de maintenance réduit, le laser à fibre limite les zones thermiquement affectées.

En fonction du type de matériaux, de la précision de découpe et de la taille de la pièce, il possible d’utiliser d’autres sources laser ayant des caractéristiques mieux adaptées aux applications recherchés (médical, horlogerie, semiconducteur, électronique, etc…). Les sources à très courtes durées d’impulsions de l’ordre de la femto seconde sont utilisées pour des découpes très fines et ne génère pas de zone d’affectation thermique pour ne pas dégrader les propriétés de la pièce au niveau de la zone de découpe.

La soudure Laser

Tous les matériaux qui peuvent être soudés de manière conventionnelle sont soudables au laser.  La qualité et la vitesse du soudage laser réalisés par des machines laser est bien supérieure aux procédés conventionnels et bien plus économique. En fonction de la puissance de la source laser utilisée, le soudage sera réalisé par conduction thermique pour les faibles épaisseurs ou par keyhole (capillaire de vapeur) pour les fortes épaisseurs qui requièrent une puissance laser élevée.

Il est aussi possible de souder les thermoplastique et les matériaux composites par laser. On utilise le plus souvent des sources laser à diodes avec des longueurs d’ondes adaptées aux matériaux à souder.

Le soudage laser forte puissance et le soudage laser par conduction thermique

Le soudage forte puissance utilise une source laser d’intensité élevée (de plusieurs kilowatts) qui permet de souder de fortes épaisseurs ou des épaisseurs multiples.  Ce procédé crée un capillaire de vapeur dans l’épaisseur de la matière qui est entretenu pendant toute la durée du soudage. Le soudage laser en mode keyhole permet d’atteindre une vitesse de soudage de plusieurs mètres par minutes avec une qualité de soudure élevée.

Le soudage par conduction thermique est utilisé sur des épaisseurs plus faibles (1 à 2 mm). Seule la surface est fondue. Le cordon de soudure est en général plus lisse et présente moins de porosités. Ce procédé de soudage est le plus souvent utilisé lorsque les cordons de soudure sont apparents et que l’aspect esthétique de la pièce est un critère important (éviers, soufflet métalliques…).

Le soudage de pièces en plastique ou composite par laser

Principe du soudage par Laser des thermoplastiques Le faisceau laser traverse le substrat supérieur qui doit être transparent à la longueur d'onde du laser alors que le substrat inférieur est absorbant. Ce dernier par conduction thermique va faire fondre le substrat supérieur. Pendant le soudage les deux pièces à assembler sont soumises à une pression mécanique qui permet de les garder en contact jusqu’à la fin du procédé. Les deux substrats sont ainsi soudés par Laser.

De nombreux systèmes équipent l'industrie automobile pour le soudage de nombreuses pièces intégrées dans les véhicules d'aujourd'hui : pompe, capteur, électronique, clés, phares et aussi certaines pièces de carrosserie... Le domaine médicale est aussi un grand utilisateur de systèmes LPKF pour le soudage de nombreuse pièces : tube divers, capsule, filtres ...

Rappelons que le soudage de thermoplastique par laser est un procédé propre, sans déchets chimiques (pas de colle, pas de solvants), et sans contact mécanique puisque c'est le faisceau laser qui vient fondre le plastique et souder ainsi les pièces entre elles.

Application du soudage laser de thermoplastiques dans l’industrie automobile

Application du soudage laser de thermoplastiques dans l’industrie aéronautique

Principe du drapage par laser à diode Laserline de pièces en fibre de carbone

Avantages du soudage laser :

• Procédé sans contact qui permet de réduire les couts d’outillages de maintien des pièces.
• Intensité de soudage sur un petit diamètre (taille de spot laser de quelques microns à plusieurs millimètres).
• Grande vitesse et grande précision de soudage laser avec un apport thermique limité
• Soudage de différents matériaux, identiques ou dissimilaires et d’épaisseurs variées
• Soudage de pièces aux géométries complexes (2D, 3D).
• Temps de mise en œuvre réduit.
• Adapté à tout type de production : unitaire, petite ou grande série.
• Modularité et choix des équipements intégrés : table XY, axes Z, plateau tournant, robot, etc…
• Intégration de modules de contrôle en temps réel du procédé de soudage (vision, caméra Cmos…).
• Contrôle et prise en main à distance lors d’opérations de maintenance ou de formations.