Fabrication d’un mirroir intelligent connecté

Un nouveau dispositif de la taille d’une puce pourrait aider les fabricants à mesurer la puissance du laser en temps réel.

Quel prototype pour le miroir intelligent ?

Un prototype du miroir intelligent. La lumière laser rebondit sur la surface hautement réfléchissante d’une plaque de silicium, visible au milieu d’un épais anneau de plastique noir.

Les lasers jouent un rôle dans de nombreux processus de fabrication, depuis le soudage de pièces automobiles jusqu’à la fabrication de composants de moteur avec des imprimantes 3D.* Pour contrôler ces tâches, les fabricants doivent s’assurer que leurs lasers fonctionnent à la puissance correcte.

Mais jusqu’à présent, il n’a pas été possible de mesurer avec précision la puissance du laser pendant le processus de fabrication en temps réel, alors que les lasers coupent ou fondent des objets, par exemple. Sans cette information, certains fabricants pourraient devoir consacrer plus de temps et d’argent à évaluer si leurs pièces répondent aux spécifications de fabrication après la production.

Pour répondre à ce besoin, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis au point un capteur de puissance laser qui pourrait être intégré à des dispositifs de fabrication pour des mesures en temps réel. Ils présentent les résultats de leur dernier prototype dans un numéro d’octobre 2018 de IEEE Sensors.

Le nouveau dispositif fonctionne de la même manière qu’un capteur précédent fabriqué par l’équipe, qui utilise la pression de rayonnement, ou la force que la lumière exerce sur un objet. Mais contrairement à leur ancien appareil – un « Radiation Pressure Power Meter (RPPM) de la taille d’une boîte à chaussures pour les lasers de très haute puissance de milliers de watts – le « miroir intelligent » de la taille d’une puce est conçu pour les lasers de centaines de watts, la gamme généralement utilisée dans les processus de fabrication.

« Il s’agit toujours d’un capteur de puissance radio-pression, mais il est beaucoup plus petit et beaucoup plus rapide « , avec une vitesse de mesure 250 fois supérieure à celle de leur plus gros capteur, a déclaré John Lehman, du NIST. Le miroir intelligent est également environ 40 fois plus sensible que le RPPM.

Les types de procédés de fabrication qui pourraient potentiellement utiliser cette nouvelle technologie comprennent tout, des avions et des automobiles aux téléphones cellulaires et aux appareils médicaux. Le miroir connecté intelligent pourrait également être intégré dans les machines employées dans la fabrication additive, un type d’impression 3D qui construit un objet couche par couche, souvent en utilisant un laser pour fondre les matériaux qui forment l’objet.

 

Un jour, disent les chercheurs, ces minuscules compteurs pourraient se trouver dans toutes les machines de fabrication d’additifs et dans toutes les têtes de soudage laser.

« Cela permettrait de mettre la haute précision des mesures de puissance du NIST directement entre les mains des opérateurs, fournissant ainsi une assurance qualité standardisée pour tous les systèmes laser et contribuant à accélérer le processus de qualification des pièces « , ce qui garantit que les objets fabriqués répondent aux spécifications techniques, a déclaré Alexandra B. Artusio-Glimpse du NIST.

Quelle technologie pour un miroir connecté ?

 

miroir connecte

 

Les techniques conventionnelles de mesure de la puissance laser nécessitent un appareil qui absorbe toute l’énergie du faisceau sous forme de chaleur. La mesure du changement de température permet aux chercheurs de calculer la puissance du laser.

Le problème avec cette méthode traditionnelle est que si la mesure nécessite d’absorber toute l’énergie du faisceau laser, alors les fabricants ne peuvent pas mesurer le faisceau pendant qu’il est réellement utilisé pour quelque chose.

La pression de rayonnement résout ce problème. La lumière n’a pas de masse, mais elle a de l’élan, ce qui lui permet de produire une force quand elle frappe un objet. Un faisceau laser de 1 kilowatt (kW) a une force faible mais perceptible – environ le poids d’un grain de sable.

En projetant un faisceau laser sur une surface réfléchissante, puis en mesurant le mouvement de la surface en réponse à la pression de la lumière, les chercheurs peuvent à la fois mesurer la force du laser (et donc sa puissance) et utiliser la lumière qui rebondit directement sur la surface pour le travail de fabrication.

Comment ça marche ?

Une démonstration des principes de fonctionnement de base du miroir intelligent, un nouvel appareil de la taille d’une puce conçu pour mesurer la puissance d’un laser en temps réel. Les miroirs intelligents pourraient un jour être intégrés dans les processus de fabrication qui créent des avions, des voitures, des téléphones cellulaires, et plus encore. Selon les chercheurs, le dispositif pourrait aider les fabricants à accélérer le processus de qualification des pièces, ce qui garantit que leurs produits répondent aux spécifications techniques

Le RPPM précédent de l’équipe du NIST, pour les faisceaux de plusieurs kW, consiste à faire briller le laser sur une balance de laboratoire, qui s’abaisse lorsque la lumière l’atteint. Mais cet appareil est trop gros pour être intégré dans des têtes de soudage ou des imprimantes 3D. Les chercheurs voulaient également un système qui serait plus sensible aux forces beaucoup plus faibles utilisées dans les procédés de fabrication quotidiens.

Au lieu d’utiliser une balance de laboratoire, le nouveau « miroir intelligent » fonctionne essentiellement comme un condensateur, un dispositif qui stocke la charge électrique. Le capteur mesure les variations de capacité entre deux plaques chargées de la taille d’un demi-dollar chacune.

La plaque supérieure est recouverte d’un miroir hautement réfléchissant appelé réflecteur de Bragg distribué, qui utilise des couches alternées de silicium.