« Les véhicules à moteur thermique resteront probablement présents sur le marché pendant encore longtemps. Mais d'ici 2030, 120 millions de nouveaux véhicules auront été immatriculés dans le monde, et les véhicules électriques représenteront environ un cinquième du total. La technologie laser joue un rôle clé dans la fabrication des composants automobiles les plus importants », déclare Gerhard Hein, directeur général du groupe de travail VDMA sur les lasers et les systèmes laser pour le traitement des matériaux.
 
Avec l'arrivée de la mobilité électrique sur le marché, d'importants défis de production se profilent à l'horizon. Le salon international LASYS 2020 abordera ces évolutions des technologies de production, en mettant l'accent sur les diverses applications du traitement des matériaux par laser. LASYS fêtera sa septième édition en 2020. Ce sera le lieu de rencontre privilégié des représentants de différents secteurs, notamment les fabricants, les intégrateurs, les prestataires de services et les utilisateurs de systèmes laser.
 
Nouveaux défis pour les systèmes laser
: « Bien que la mobilité électrique n’en soit qu’à ses débuts », souligne Johannes Bührle, responsable du secteur automobile chez Trumpf, « la technologie de production est essentielle à son avenir.
Cependant, la course a commencé il y a longtemps. Du point de vue de la production, l’objectif est de trouver un équilibre entre fabrication artisanale et production de masse. » Selon M. Bührle, de nombreux modèles sont encore en phase de développement et d’optimisation :
« Les équipements de fabrication et de production, tels que les systèmes laser, doivent être suffisamment flexibles pour s’adapter aux changements radicaux de conception et à l’utilisation de matériaux nouveaux ou différents. »
 
Les systèmes laser interviennent dans de nombreux processus de fabrication des véhicules électriques. D’une part, il s’agit de créer des structures légères et d’améliorer les structures de carrosserie grâce à une conception de composants adaptée aux charges. Les procédés d’usinage laser abordables pour l’acier, l’aluminium, les composites à fibres et les procédés de fabrication additive laser jouent un rôle important à cet égard.
D’autre part, la production de batteries, de composants électroniques de puissance et des systèmes de propulsion électrique eux-mêmes exige des systèmes laser innovants pour l’assemblage ou la découpe, capables de traiter efficacement et de manière fiable les métaux non ferreux tels que le cuivre et l’aluminium.
 
Optimisation du poids grâce à des procédés laser polyvalents :
la construction légère permet d’optimiser le poids d’un véhicule tout en préservant une meilleure stabilité. Les experts fondent de grands espoirs sur les procédés de fabrication additive laser.
« Dans le secteur automobile, les arbres de transmission fabriqués grâce à ces procédés permettent de réduire le poids de plus des deux tiers. Il en va de même pour les boîtiers de batterie conçus avec des structures en grille ou les échangeurs de chaleur haute performance, dont la nouvelle conception se traduit par une compacité accrue et une efficacité fonctionnelle exceptionnelle », explique Hein.
 
Concernant la conception des composants de véhicule flexibles et porteurs, l’Institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et de l’acier (IWS), par exemple, estime que les structures de carrosserie qui jouent un rôle important en cas de collision doivent être optimisées individuellement. « Pour y parvenir, nous nous concentrons sur des composants tels que le pare-chocs, le support de batterie, le châssis et la structure générale du véhicule. Nous renforçons les pièces précisément là où c'est nécessaire. Pour ce faire, nous utilisons un traitement laser localisé des structures en tôle et des techniques de fabrication additive localisées afin d'appliquer des nervures, par exemple, aux profilés pour les renforcer. Nous avons également obtenu des conceptions à résistance individuelle grâce au durcissement laser localisé d'aciers au carbone en des points précis », explique le Dr Jens Standfuß, responsable de l'assemblage chez IWS. Un autre axe de recherche majeur de l'institut de Dresde est le collage thermique direct du métal aux thermoplastiques renforcés de fibres. Un chauffage bref par laser et induction produit une combinaison de collage et d'enclenchement mécanique. « L'élément essentiel est la structuration laser des surfaces métalliques utilisées. La surface est nettoyée, dilatée et modifiée chimiquement pour créer des structures épousant parfaitement la forme. Contrairement aux joints collés classiques, aucun matériau supplémentaire n'est requis et le processus de collage laser est rapide et simple », précise M. Standfuß.
 
Soudage laser haute performance des métaux non ferreux.
Les matériaux conducteurs d'électricité, tels que le cuivre, sont essentiels aux cellules, modules et packs de batteries, à l'électronique de puissance et aux moteurs électriques. Jusqu'à présent, leur traitement représentait un défi pour les systèmes laser. « Nous avons été la première entreprise au monde à développer un laser à diode bleue d'une longueur d'onde de 450 nm et d'une puissance supérieure à 1 kW, ce qui porte l'absorption de la lumière par le cuivre à plus de 60 %. Les systèmes laser infrarouges conventionnels n'atteignent que des valeurs de 2 à 5 % en raison d'une forte réflexion de la lumière », explique le Dr Simon Britten, directeur de l'innovation au sein du département Développement des nouvelles activités de Laserline. Il ajoute : « Cela signifie que l'apport d'énergie au cuivre peut être contrôlé avec une telle précision que, pour la première fois, il est possible de réaliser des procédés de soudage par conduction thermique sans évaporation ni formation de capillaires de vapeur. Il en résulte des procédés qui ne produisent pratiquement aucune projection. De plus, la refusion précise du cuivre ouvre de nouvelles perspectives de conception pour les procédés de soudage laser. » Les systèmes laser de Trumpf fonctionnent dans la gamme spectrale verte, à une longueur d'onde de 515 nm. « Grâce à la technologie laser à disque et à une puissance de sortie de 1 kW et une qualité de faisceau de 2 mm x mrad, ces systèmes permettent d'atteindre une qualité de soudage et une efficacité énergétique sans précédent, même avec des matériaux hautement réfléchissants comme le cuivre », explique Bührle, expert chez Trumpf.
 
Procédé « épingle à cheveux » : interaction optimale des différents composants.
 Ces nouveaux systèmes laser sont notamment utilisés dans le procédé dit « épingle à cheveux » : le soudage laser des stators. Pour Trumpf, la production automatisée et économique de grandes quantités de stators de moteurs électriques n'est possible qu'avec ce procédé. Dans ce procédé, un pistolet à air comprimé projette un fil de cuivre rectangulaire, semblable à une épingle à cheveux, dans l'encoche du stator. « Les épingles à cheveux sont dénudées par le laser, puis torsadées et soudées par un faisceau laser. Cela paraît simple, mais cela exige une interaction parfaite entre le système laser, l'optique, le traitement numérique de l'image et le contrôle du processus », explique Bührle. Rainer Franke, responsable de l'optique laser au sein du département des composants laser, confirme : « L'optique laser contribue de manière significative à la précision du soudage laser et d'autres procédés de fabrication pour la mobilité électrique. Nous adaptons l'optique précisément à l'usage prévu. Des éléments optiques diffractifs permettent de créer une grande variété de formes de faisceau pour répondre à des exigences spécifiques. Compte tenu des niveaux d'énergie élevés des lasers industriels, un seuil de dommage laser élevé pour toutes les optiques est un facteur critique. »
 
Les systèmes laser automatisés fonctionnent de manière durable et écoénergétique.
 « Pour répondre à la demande croissante de l'industrie automobile en ensembles électriques installables, des systèmes de production automatisés clés en main intégrant les processus d'assemblage, de laser et de test, ainsi que des systèmes de traçabilité pour toutes les données relatives aux produits et aux machines, sont absolument essentiels », déclare le Dr Jörg Lässig, directeur général de SITEC Industrietechnologie. L'entreprise, basée à Chemnitz, propose des systèmes laser automatisés et innovants pour le soudage de composants électroniques de puissance, de stators et de plaques bipolaires pour piles à combustible. Lässig souligne : « Avec nos systèmes laser, nous privilégions à la fois la rentabilité et une production respectueuse de l'environnement. Nous avons atteint un fonctionnement écoénergétique, notamment grâce à l'intégration de sources de faisceaux laser spécifiques à chaque application, offrant un rendement global élevé et une utilisation optimale du laser grâce à des concepts de systèmes optimisés. »
 
Le Dr Simon Britten de Laserline considère également l'établissement d'une mobilité électrique durable en Europe comme un défi. « Avec la lumière laser bleue, nous facilitons ce processus en développant des méthodes de production économes en ressources. Pour la première fois, ce rayonnement laser peut être généré directement, sans conversion de longueur d'onde. Combiné à la forte absorption du cuivre, il permettra d'accroître significativement l'efficacité globale des procédés. De plus, nous envisageons de développer
de nouvelles applications au-delà du traitement du cuivre, car l'interaction de nombreux matériaux avec cette longueur d'onde reste encore largement à explorer. »
 
Les méthodes laser pilotées par l'IA et la fabrication additive sont des tendances émergentes.
 L'individualisation, l'amélioration des coûts, l'efficacité énergétique, l'optimisation des matériaux, la fiabilité des procédés et la qualité demeureront des enjeux majeurs pour la production de véhicules électriques. Gerhard Hein, de la VDMA, a déclaré : « Pour les petites séries et les exigences de personnalisation poussées, la rentabilité des technologies traditionnelles atteint ses limites. Les procédés de fabrication additive laser, comme le dépôt ou la fusion laser de métal, offrent une solution pour la production en série personnalisée de composants automobiles de haute qualité et au poids optimisé. » Pour les experts de Trumpf, l’intelligence artificielle (IA) est une solution clé. Bührle a prédit : « L’IA devrait considérablement améliorer nos processus de production et de contrôle qualité à l’avenir, notamment si elle peut détecter, par exemple, les moteurs électriques du processus Hairpin qui ne répondent pas aux critères de soudage prédéfinis. Nous travaillons sur une IA capable de réaliser cette tâche de manière autonome. »