Traitement de surface au laser

État des lieux à l’international et en Suisse

Le terme «traitement de surface» couvre une multitude de procédés qui modifient les propriétés d’un matériau ou structurent une surface afin d’y apposer un marquage. Le traitement de surface utilise typiquement des sources de rayonnement laser de puissance de sortie moyenne. Ces lasers opèrent en mode continu (onde entretenue), pulsé (impulsions de l’ordre de la micro/nanoseconde) ou à impulsions ultra-courtes (impulsions de l’ordre de la pico/ femtoseconde). Ces cinq dernières années, le développement de sources de rayonnement laser à puissance de sortie élevée ou à impulsions ultra-courtes de l’ordre de la femtoseconde, combiné à la disponibilité d’éléments optiques, de systèmes de guidage du faisceau et de capteurs associés, a rendu possibles de nouveaux procédés. Quant aux procédés existants, leur qualité a pu être améliorée et leur durée raccourcie. Ces dernières années, la photonique a ouvert la voie de manière décisive à l’industrialisation de nombreux produits novateurs. En 2017, le marché mondial des sources de rayonnement laser pour le traitement de surface s’élevait à environ 2 milliards de USD, soit environ 20% du marché total des lasers.

Le traitement des surfaces joue un rôle dans la quasi-totalité des secteurs, ainsi la construction automobile, les batteries, les écrans, l’électronique, la communication, la technologie aérospatiale, la technologie médicale, l’alimentation, la technologie de sécurité, l’horlogerie et la bijouterie, l’électronique grand public ou la technologie de défense. Les principaux moteurs du traitement des surfaces sont les suivants:

• Besoin de nouveaux procédés de production à haute densité d’énergie et de puissance
• Exigences croissantes relatives à la fonctionnalité ou à la résistance à l’usure des surfaces en raison de hausses de productivité
• Besoin de traçabilité des pièces et des produits tout au long de la chaîne des processus et de la chaîne logistique au moyen de codes ou de texte
• Nouvelles réglementations dans les secteurs des technologies aérospatiales, médicales et autres, qui imposent des marquages haute résistance tout au long de la chaîne des processus

Les nouveaux procédés de traitement de surface incluent par exemple des processus de cristallisation pour la production d’affichages OLED ou LCD, le détachage d’écrans souples de leur matériau de support ou le traitement de verres durcis. Les marquages laser au moyen de lasers nanoseconde conventionnels entraînent en règle générale des modifications de structure des aciers, avec risque de corrosion. En revanche, l’utilisation de lasers à impulsions ultra-courtes a permis un véritable saut technologique et des marquages extrêmement résistants à la corrosion. Les brèves échelles de temps pendant lesquelles une impulsion laser pico/femtoseconde interagit avec un matériau permettent de créer des structures de surface inhabituelles, augmentant par exemple les capacités d’absorption ou d’émission, ou fournissant un soutien catalytique à un processus électrochimique. Les progrès énormes réalisés dans le revêtement d’une grande variété de matériaux avec une précision subnanométrique rendent possible la production de nouveaux composés et couches. En combinaison avec des matériaux optiquement actifs et des guides d’onde spéciaux, il devient possible de produire des éléments de construction, capteurs ou commutateurs optiques intelligents et actifs. Une microstructuration adaptée permet d’utiliser des techniques d’assemblage novatrices afin d’influer par exemple sur les propriétés thermiques ou tribologiques d’un matériau.

Les mégatendances que sont la numérisation, la globalisation l’individualisation et la sécurité mèneront à des exigences accrues en matière de traçabilité des unités de montage, des produits et des pièces tout au long de la chaîne des processus et de la chaîne logistique. D’autres tendances comme la connectivité, la mobilité et la néo-écologie rendront plus importants la structuration de surface de métaux, de semi-conducteurs et de polymères, l’enlèvement de couches et les procédés liés à la production d’affichages et d’écrans. Le domaine de l’électromobilité nécessitera à l’avenir des milliers de lasers pour le décapage de fils pour la production de moteurs électriques.

Implications pour la Suisse

Le volume du marché suisse de la photonique, qui couvre essentiellement les sources et systèmes de rayonnement laser ainsi que les composants, revêtements et capteurs optiques, est d’environ 4 milliards de CHF, dont environ 400 millions de CHF pour les lasers et systèmes laser de traitement de surface. Ce sous-segment présente une croissance annuelle moyenne de 8% et une part d’exportations de plus de 90%. Selon les experts, la part des composants photoniques dans l’ensemble des produits développés et produits par l’industrie MEM en Suisse augmentera d’aujourd’hui 40% à plus de 60% au cours des dix années à venir. Ces chiffres montrent que l’industrie suisse contribue fortement au marché mondial de la photonique. La part au produit intérieur brut est significative et continuera d’augmenter. Afin de maintenir leur position de pointe dans le domaine du traitement de surface, outre la recherche fondamentale les établissements suisses de l’enseignement supérieur doivent consacrer plus d’attention aux technologies «habilitantes» (enabling technologies) comme la photonique. La quasi-totalité des quelque 20 instituts suisses de l’enseignement supérieur actifs dans la recherche photonique ont ainsi rejoint le réseau thématique national (RTN) «Swissphotonics». Ils étayent leurs activités de recherche avec une offre éducative à niveau bachelor, master et doctorat. Depuis quatre ans, il existe également des cursus spécialisés en photonique.