Interaction laser matière

Les électrons d’un laser se comportent comme des grains interagissant avec les particules de matière par le biais de la force électromagnétique. De masse nulle et sans charge électromagnétique ils excitent les électrons des atomes en les faisant changer de niveau d’énergie. Il en résulte une augmentation de la température des atomes ainsi excités. Initialement dans un état énergétique stable, la matière reçoit en quelque sorte l’énergie transportée par les photons du laser.

Cependant une partie de cette énergie est dispersée soit par réflexion du laser sur la matière, soit par interaction du laser avec le gaz issue de la pulsion de la poudre (voir plus loin). De plus l’état de la matière influence également la profondeur de pénétration. A l’état dense (solide, liquide, pâteux), seuls les électrons libres proches de la surface sont excités et l’échauffement induit se propage dans le reste de la pièce par phénomène de conduction. A l’état de poudre, le rayon se diffracte sur les particules de poudre et pénètre plus profondément par multiples réflexion avec les grains. Il existe également un régime de fusion appelé « trou de serrure » ou « key-hole » dans lequel la matière se vaporise et forme un tunnel contre les parois duquel les rayons se réfléchissent et pénètrent ainsi encore plus en profondeur au sein de la matière.

Dans le cas de la fabrication additive sur lit de poudre, il faut distinguer différents régimes d’interaction : le régime transitoire lorsque le laser entre en contact avec la couche de poudre (début de chaque nouvelle trajectoire) et le régime établie ou stable dans lequel le laser interagie avec le bain de fusion. Le coefficient d’absorption de la matière n’est pas le même dans ces deux cas. Dans le cas du régime stationnaire, l’alimentation du bain de fusion se fait par accrétion des grains de poudre situés en amont qui, sous l’effet des forces en présence au sein du bain de fusion, sont attirés dans celui-ci. On peut également noté un troisième régime, déjà mentionné plus haut, dans lequel le laser interagit avec les parois du tunnel conséquence de l’instabilité du bain de fusion.

Les lasers utilisés sont à énergie continue. Le plus répandu est le laser Nd:Yag car sa longueur d’onde plus courte permet une meilleure absorption par la matière. On peut citer également les laser CO2 dont la longueur est cependant plus élevée.

Références bibliographiques :

• Note CEA
• Thèse Laurent Van Belle (INSA Lyon LaMCos)
• Thèse Alexis Queva (Safran / Université PSL Mines Paris Tech)
• Thèse Qiang Chen (Université PSL Mines Paris Tech)
• Thèse Julie Maisonneuve (Université PSL Mines Paris Tech)
• Thèse Guillaume Marion (Université PSL Mines Paris Tech)