Applications dans l'industrie chapitre 2

Le LASER est utilisé dans de nombreux domaines d’application, de l’industrie jusqu’à la médecine. Citons quelques exemples aussi variés qu’insolites. Outre qu’il fournit une source lumineuse monochromatique d’une grande puissance, il est largement utilisé en sciences évidemment en optique, mais aussi pour pulvériser des matériaux à déposer, pour tester des matériaux, pour mesurer des distances, etc… Dans l’industrie, il permet de réaliser des soudures, ou bien de découper des matériaux avec une très grande précision. En médecine, il est utilisé dans de nombreux secteurs comme la chirurgie des yeux ou bien le traitement de lésion locale par exemple. Nous développons ici deux aspects parmi tant d’autres, à savoir la découpe LASER de grande précision, et la chirurgie de l’œil d’autre part

Le découpage laser est un procédé de fabrication qui utilise un laser pour découper la matière (métal, bois…) grâce à la grande quantité d'énergie concentrée sur une très faible surface. Le laser peut être pulsé (source de type YAG) ou continu (source CO2). Actuellement, les lasers à source CO2 sont largement majoritaires en France. Ils permettent en effet de découper beaucoup plus de matériaux et à une vitesse plus élevée que les lasers pulsés.

Le principe

Les propriétés de focalisation des lasers permettent de chauffer jusqu'à vaporisation une zone réduite de matière. Les lasers utilisés couramment ont une puissance de 1500 watts mais les sources peuvent varier de quelques watts à plus de 4 kW. La puissance est adaptée en fonction du matériau et de l'épaisseur à découper. A titre de comparaison, un laser de classe II potentiellement dangereux a une puissance de moins de 1 mW.

Ce procédé permet une découpe précise, nette et rapide de nombreux matériaux jusqu'à 25 mm. La découpe se fait sans effort sur la pièce et la zone affectée thermiquement (ZAT) est assez faible (de l'ordre de 0,5 mm sur les métaux) ce qui permet d'avoir des pièces très peu déformées. La réalisation de trou est facile mais leur diamètre doit être au moins égal à l'épaisseur de la tôle. Dans certains cas, il est nécessaire d'utiliser un gaz additionnel dans la zone de découpage pour en améliorer l'efficacité (argon, azote, O2). Souvent, il est aussi possible de graver (texte, etc.) avec la même machine. Certains matériaux, comme l'aluminium, l'argent, ou le cuivre, sont toutefois plus durs à découper au laser à cause de leur fort pouvoir réfléchissant.

Applications

Le découpage laser a été utilisé dans l'industrie à partir des années 1980. Depuis il s'est répandu et banalisé. Dans le secteur de la transformation des métaux, il est complémentaire d'autres procédés comme le découpage par poinçonnage. Alors que celui-ci est tributaire de la forme de l'outil utilisé, le découpage laser permet de faire varier à volonté la forme découpée. À cette fin, les machines de découpe laser sont programmables.

Les performances de la découpe laser sont en constante évolution : diversification des matériaux métalliques (aciers, puis alliages d'aluminium,…) et augmentation de l'épaisseur de la tôle découpable, jusqu'à plusieurs centimètres. Ces évolutions sont liées notamment aux progrès réalisés en matière de sources laser.

Aujourd'hui, les techniques ont énormément évolué, la puissance des lasers de découpe CO2 dépasse les 6kW. Les diamètres minima de perçage sont maintenant de 0,4 x l'épaisseur de la tôle. La récente réduction du prix des machines de découpe laser CO2 rendent cette technologie accessible pour les artistes et bricoleurs.

Aspect économique

Les coûts d'utilisation sont devenus très faibles grâce à la forte augmentation de productivité des machines. Les constructeurs principaux sont européens et plus particulièrement allemands. Le parc français de machines de découpe laser CO2 installées approche les 2000 unités avec environ 200 nouvelles machines par an.

Ces machines sont majoritairement utilisées par des PME spécialisées dans la sous-traitance en tôlerie. Le coût d'un équipement varie de 200 000 euros pour une machine d'occasion reconstruite à plus d'1 million d'euros pour les plus puissantes, les plus performantes et les plus automatisées avec robot de déchargement et triage de pièces.

Le LASER permet de modifier un matériau dans une espace extrêmement limité, et ceci sans contact direct de l’appareillage. Il s’est imposé ainsi en chirurgie, et particulièrement en ophtalmologie, où le LASER permet par exemple de modifier la cornée d’une part de façon très précise, et d’autre part sans endommager le reste de l’œil. Il permet ainsi de réaliser des opérations micro-mécaniques.

La technique de Laser intra-cornéen (intra-stromal) LASIK

Ce terme est l'abréviation de « Laser Assisted In situ Keratomileusis » qui représente aujourd'hui la technique de référence en chirurgie réfractive par laser (près de 80% des chirurgies par laser). Elle a été introduite en France, après le laser Excimer de surface, au début des années 90.

Cette technique se décompose en deux étapes : la découpe d’un volet cornéen superficiel (entre 100 et 130µ) suivie du traitement par laser Excimer du défaut de vision (par sculpture de la cornée): myopie, hypermétropie, astigmatisme et presbytie.

Les avantages du LASIK par rapport aux autres techniques de surface (PKR, Lasek, EpiLASIK, …) sont nombreux mais ce sont les examens préopératoires qui détermineront les possibilités et surtout les éventuelles contre-indications de telle ou telle technique (cornées fines et/ou asymétriques, kératocone). Les résultats visuels à moyen et long terme (après deux mois) sont identiques entre LASIK et techniques de surface, mais le LASIK permet une récupération visuelle plus rapide.

Il existe deux façons de découper une lamelle de cornée (volet): mécanique avec un appareil automatisé (microkératome) ou au laser femtoseconde (Intralase). La première est celle qui dispose du plus de recul avec des dizaines de millions d’yeux traités de façon tout à fait satisfaisante dans le monde depuis plus de quinze ans. La deuxième est plus récente en France (été 2004 pour les premiers centres équipés) ; elle est plus précise (diamètre et épaisseur du capot) et plus sécurisante pour le patient (« traitement tout laser ») avec un risque encore plus faible d’incidents de découpe du volet cornéen. Ce sont les habitudes de chaque chirurgien et les examens préopératoires (notamment l’épaisseur de la cornée) qui déterminent la meilleure technique à utiliser. Cependant de nombreuses études internationales ont prouvé qu’il n’existait aucune différence en terme de qualité des résultats entre les deux méthodes de découpe (efficacité, stabilité, effets secondaires).

Dans les deux cas, l’opération est très rapide et indolore : moins de vingt minutes pour les deux yeux pour un LASIK à découpe mécanique et moins de trente minutes pour un LASIK à découpe laser. Dans ces deux techniques, les deux yeux sont opérés en même temps sous anesthésie locale avec de simples gouttes.