La texturation de surface fait partie des domaines d'application de la technologie laser. Elle s'applique pour le marquage à des fins de traçabilité de pièces par exemple ou pour l'amélioration des performances tribologiques de pièces en frottement lubrifié. Le but de cette étude est de montrer la faisabilité d'une texturation de surface avec des répartitions et des formes prédéfinies et le contrôle de leur réalisation pratique. Pour pouvoir visualiser et caractériser ces striations, différentes méthodes ont été utilisées : la profilométrie tactile, la microscopie électronique à balayage et la mesure optique sans contact. Grâce à ces contrôles, l'usinage laser a pu être ajusté de manière à obtenir la striation désirée ce qui se révèle être délicat dans un matériau hétérogène qui est dans notre cas de la fonte à graphite lamellaire. Pour améliorer l'état de surface, un polissage laser peut être réalisé en défocalisant le point d'impact du faisceau laser sur la matière

BARRIERE, Thierry

GELIN, Jean-Claude

MONTEIL, Guy

VINCENT, Christophe

I-Revues

18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
1 
Texturation de surface par laser sur un matériau hétérogène 
 
Christophe Vincent1,2, Guy Monteil1, Thierry Barrière2 & Jean-Claude Gelin2 
 
1Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques 
Laboratoire de Microanalyse des Surfaces 
26 chemin de l’épitaphe 25000 Besançon 
2Institut FEMTO-ST 
Département Mécanique Appliquée 
24 chemin de l’épitaphe 25000 Besançon 
christophe.vincent@ens2m.fr 
 
 
 
 
Résumé : 
 
La texturation de surface fait partie des domaines d’application de la technologie laser. Elle s’applique 
pour le marquage à des fins de traçabilité de pièces par exemple ou pour l’amélioration des 
performances tribologiques de pièces en frottement lubrifié. 
Le but de cette étude est de montrer la faisabilité d’une texturation de surface avec des répartitions et des 
formes prédéfinies et le contrôle de leur réalisation pratique. Pour pouvoir visualiser et caractériser ces 
striations, différentes méthodes ont été utilisées : la profilométrie tactile, la microscopie électronique à 
balayage et la mesure optique sans contact. Grâce à ces contrôles, l’usinage laser a pu être ajusté de 
manière à obtenir la striation désirée ce qui se révèle être délicat dans un matériau hétérogène qui est 
dans notre cas de la fonte à graphite lamellaire. Pour améliorer l’état de surface, un polissage laser peut 
être réalisé en défocalisant le point d’impact du faisceau laser sur la matière. 
 
Abstract : 
 
The textured surface is a part of the applications of the laser technology. For instance, the laser marking 
of parts or the increasing of the tribologic performances of parts in lubricated friction. 
The aim of the study is to demonstrate the faisability of surface texturation with a define space 
distribution and cross sections and the characterization of their realization. To be able to observe and 
characterize the grooves, different methods have been used: roughness profilometry, scanning electron 
microscopy and non contacting optical measurements. Thanks to these characterizations, the laser 
engravement have been adjusted to achieve the desired striation which is difficult with a heterogeneous 
material as lamellar cast iron. To improve the roughness of the engraved surface, a laser polishing can 
be realized with a defocalization of the laser beam with respect to the surface. 
 
Mots-clefs :  
 
striation laser ; matériau hétérogène ; caractérisation 
 
1 Introduction 
 
Depuis la création du laser et même du maser dans les années 60, il n’y a pas que le laser 
en lui-même qui a évolué mais aussi ses champs d’application. En passant de l’étude optique, de 
la mesure dimensionnelle à la découpe, le laser a su tirer profit de ses avantages et 
inconvénients. L’application qui nous intéresse ici est la texturation de surface par laser. Celle-
ci est aujourd’hui très étudiée pour les applications tribologiques, Pettersson (2005), d’où un 
usinage qui se fait préférentiellement sur un matériau qui a déjà de bonnes propriétés 
tribologiques. Dans cette étude, le matériau usiné est une fonte à graphite lamellaire. 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
2 
Généralement, la texturation de surface se traduit par la gravure de trous avec une 
répartition ordonnée, Ryk et al. (2002) et Voevodin et al. (2006). Dans cette étude, les trous 
sont remplacés par des stries avec diverses distribution et section. La caractérisation de ces 
gravures permet d’ajuster au mieux les paramètres de gravure laser. Cette caractérisation a dû 
évoluer et s’adapter aux différents problèmes rencontrés lors des mesures de contrôle de la 
géométrie des stries obtenues. 
 
2 Texturation de surface 
 
La texturation de surface est caractérisée par des stries avec des formes et des répartitions 
bien précises. Le déroulement de cet usinage est le même que pour un usinage sur une machine 
à commande numérique. Tout d’abord on réalise la programmation de la surface à réaliser au 
moyen de la CAO et de la FAO. Dans une seconde étape on procède aux réglages de la machine 
et au positionnement de la pièce. La dernière étape est l’usinage des stries en lui-même avec une 
dernière opération de rodage pour éliminer la bavure due à l’usinage. 
 
2.1 La machine de gravure laser 
 
La machine de gravure laser utilisée est le modèle DML 40 SI de Lasertec (groupe 
Gildemeister - Allemagne). Le laser utilisé est un laser Nd :YAG d’une puissance moyenne de 
100 Watts. Le diamètre du spot laser est de 40 µm. La machine est équipée d’une tête 
galvanométrique qui permet de piloter le faisceau laser (FIG. 1). Grâce à cette tête scanner, deux 
types de stratégies d’usinage peuvent être sélectionnées. Soit le faisceau laser a une incidence 
perpendiculaire ou presque par rapport à la surface de la pièce à usiner soit il peut être incliné 
jusqu’à un angle de 20° ce qui permet d’usiner des parois quasiment verticales. 
 
2.2 Les motifs de la texturation 
 
Dans cette étude, le motif de la gravure est constitué de stries. Elles sont d’abord qualifiées 
par leur section : semi circulaire, rectangulaire, trapézoïdale et triangulaire. Du point de vue des 
dimensions, elles seront qualifiées de grosses, moyennes et fines. Toutes les dimensions sont 
détaillées dans le tableau 1.  
 
FIG. 1 – Tête galvanométrique. 
 
Texturation Largeur (µm) Profondeur (µm) 
Fine 60 6 
Moyenne 200 20 
Grosse 1000 100 
Tableau 1: Dimensions des stries. 
 
 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
3 
Comme cela a été précédemment décrit, l’usinage laser provoque une bavure lors de la 
gravure. Elle est formée par la matière qui est éjectée lors de l’usinage. Bien que la machine soit 
équipée d’un système d’aspiration, une partie des particules éjectées se dépose au bord des 
stries. Cette bavure est éliminée par rodage manuel pour pouvoir ne caractériser que les stries. 
 
2.3 La texturation laser 
 
La texturation est réalisée sur de la fonte à graphite lamellaire. Ce matériau hétérogène 
pose quelques problèmes lors de l’usinage laser de par sa composition. En effet, le graphite a 
une absorbance plus élevée que la ferrite ce qui a pour effet de révéler les lamelles de graphite 
avant que la ferrite ne soit ablatée. 
En ce qui concerne les temps d’usinage, ils varient fortement suivant la stratégie employée. 
Lorsque la stratégie qui utilise pleinement la tête scanner est choisie alors le temps est 
considérablement rallongé à cause des déplacements de table dus au positionnement du faisceau 
laser pour usiner la paroi. 
 
2.4 Le polissage laser 
 
Après usinage, le fond des stries est en général assez rugueux. Des scories apparaissent 
ainsi que des crevasses qui correspondent aux lamelles de graphite (FIG. 2). Pour atténuer ce 
phénomène, un polissage laser est réalisé. Il est obtenu par défocalisation du faisceau laser par 
rapport à la surface à graver (FIG. 3). L’offset correspond à l’écart entre le plan de focalisation 
et la surface. Cette technique permet de refondre la surface et d’avoir un gain du point de vue de 
la rugosité mais ceci peut dépendre du matériau, Dobrev et al. (2006). 
La rugosité a été mesurée par profilomètrie au fond de stries larges réalisées à dessein. Des 
mesures ont d’abord été relevées sur des tirs simples lesquels ont permis de donner une valeur 
de référence pour le critère de rugosité Ra. Ensuite, les mêmes types de tirs ont été polis par 
laser. Avec un offset de -1 mm, la réduction du critère Ra est d’environ 0,5 µm (FIG. 4). 
 
FIG. 2 – Image MEB du fond d’une strie après usinage. 
 
 
FIG. 3 – Schéma de principe du polissage laser. 
10 µm 
Plan de focalisation
du faisceau laser 
Plaque 
Offset > 0 
Offset < 0 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
4 
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
offset (mm)
R
a 
(µ
m
)
polissage
tirs de référence
 
FIG. 4 – Rugosité avant et après polissage. 
 
3 Contrôle de la texturation de surface 
 
Le contrôle de la texturation de surface permet de régler la puissance du laser pour pouvoir 
graver précisément la profondeur désirée mais aussi de choisir au mieux la stratégie d’usinage. 
Plusieurs appareils ont été utilisés pour pouvoir contourner les problèmes inhérents aux 
techniques de mesure. Tous ont permis de mesurer ou de qualifier la texturation de surface. 
 
3.1 La profilométrie 
 
Dans un premier temps, les échantillons ont été mesurés par profilométrie. Le capteur du 
profilomètre est une pointe diamant conique avec un angle de 120°. Grâce à l’aide d’un logiciel 
a été développé au laboratoire, il est possible de reconstruire des images en trois dimensions à 
partir des profils enregistrés par le palpeur (FIG. 5). 
Le rapport entre la largeur et la profondeur des stries est égal à 10 ce qui donne des 
ouvertures très grandes. Malgré cela, l’angle d’ouverture d’une strie peut être insuffisant par 
rapport à l’angle du palpeur voir même inutile dans le cas d’une strie rectangulaire, les parois 
étant verticales (FIG. 6). 
 
FIG. 5 – Image de stries fines croisées en 3D issue du profilomètre. 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
5 
 
FIG. 6 – Profil d’une grosse strie rectangulaire. 
 
3.2 La microscopie électronique à balayage 
 
Après un nettoyage pour éliminer tous les résidus de l’usinage, les échantillons ont été 
observés au MEB ce qui permet de visualiser la qualité de l’usinage (FIG. 2 et FIG. 7). Par 
contre, le contrôle des dimensions ne peut être que qualitatif et non quantitatif. De plus, il est 
très difficile d’observer le profil des stries. Par conséquent, une réplique en silicone des grosses 
stries a été réalisée puis métallisée pour pouvoir en observer la géométrie. 
 
 
FIG. 7 – Image MEB de strie moyenne. 
 
 
FIG. 8 – Image topographique d’une grosse strie trapézoïdale. 
 
100 µm 
18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
6 
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
x (mm)
z 
(µ
m
)
stratégie perpendiculaire
stratégie inclinée
 
FIG. 9 – Comparaison de l’usinage d’une grosse strie triangulaire avec les deux stratégies. 
 
3.3 La mesure optique sans contact 
 
L’appareil utilisé est un microscope Infinitefocus® d’Alicona (Autriche). Il est basé sur un 
microscope optique couplé à une caméra. Contrairement à un microscope confocal qui utilise un 
capteur monochromatique, l’appareil utilise ici un capteur de contraste en couleur. Sur toute une 
plage de hauteur, le microscope collecte des images qui sont ensuite analysées par le logiciel. 
Celui-ci analyse chaque pixel et le compare à ses voisins pour vérifier s’il est focalisé ou non. Il 
reconstruit ensuite une image en trois dimensions à partir de ces points focalisés. A partir de 
cette image, des mesures dimensionnelles, de surface, de volume, d’état de surface ou de 
topographie (FIG. 8) sont possibles. Suivant l’objectif sélectionné, la taille de l’image varie de 
2,1 x 1,6 mm² à 103 x 83 µm² et la résolution en hauteur de 444 nm à 20 nm. Si l’échantillon ou 
la zone intéressante est plus grande que la taille de capture de l’objectif sélectionné il est alors 
possible de réaliser une acquisition multi champs grâce à des tables motorisées. 
Grâce à cet appareil, il est possible de caractériser précisément les profils des stries 
surmontant ainsi les difficultés rencontrées avec les moyens précédemment décrits. De plus, 
étant donné que la mesure donne accès à une cartographie 3D, d’autres informations sont 
également disponibles (rugosité 3D…). 
 
4 Conclusions 
 
Les différentes méthodes d’analyse de la striation de surface ont permis d’identifier des 
conditions d’usinage propres à réaliser différents types de profil de stries. La stratégie qui utilise 
pleinement le scanner permet d’obtenir un usinage des flancs de stries plus réguliers que l’autre 
stratégie (FIG. 9). En ce qui concerne le réglage des paramètres du laser, ils ont été affinés par la 
comparaison entre la profondeur gravée et désirée grâce à la profilométrie et au microscope 
optique sans contact. Enfin, l’analyse des données du profilomètre et des images MEB a permis 
d’observer l’effet de lissage de la surface par le polissage laser. 
 
Références 
 
Pettersson U. 2005 Surfaces designed for high and low friction. Ph.D. thesis, Upssala University 
 
Ryk, G and al. 2002 Experimental investigation of laser surface texturing for reciprocating 
automotive components. Tribology Transactions. 45, 444-449 
 
Voevodin A.A. and al. 2006 Laser surface texturing foradaptative solid lubrication. Wear. 261, 
1285-1292. 
 
T. Dobrev and al. Laser polishing. In Multi-Material Micro Manufacture-2006, ed. W. Menz 
and al., 4M 2006 Proceedings, Grenoble, 2006, pp. 273-276. 


Texturation de surface par laser sur un matériau hétérogène

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

I-Revues