Couplage hydro-optique : vers le développement d’un prototype d’outil hybride 1 Méthode

Après avoir encadré l’indice de réfraction de l’eau en fonction de la pression, l’objectif de ce deuxième volet consiste à élaborer, à l’échelle de laboratoire, un fluide hydro-optique qui préfigure l’outil hybride dans les conditions d’usage industriel. Le l’outil hybride se forme dans la chambre de couplage hydro-optique lorsque le point focal du laser se situe à l’entrée du canal (buse) et guidé en aval par le jet d’eau (Fig 1). Pour ce faire, nous avons étudié, dans un premier temps, l’hydrodynamisme (cohérence) de l’eau qui influence fortement la physique (absorption) du laser dans les conditions extrêmes de pression considérées. Dans un second temps, nous avons fabriqué quelques configurations géométriques de la chambre hydro-optique pour tests de couplage.

- Approche numérique de l’hydrodynamique de l’eau sous pression : La turbulence est un frein

au couplage du Laser dans le jet d’eau. C’est pourquoi nous avons étudié les conditions d’obtention de la cohérence optimale du fluide en recourant à la simulation numérique par Fluent. Deux modèles géométriques ont été cosidérés : longue (Fig 7a) et plate (Fig 7b). Les géométries et le maillage ont été réalisés en utilisant le logiciel GAMBIT associé aux trois modèles de turbulence k- Standard, k- RNG (Re-Normalization Group). Ces travaux ont été menés dans le cadre du PFE de X. Qianran que j’ai co-encadré en collaboration avec l’équipe de M. Khalij, Mines NancyTech.

Figure 7 : a) Modèle géométrique de la chambre de couplage et maillage de configurations a) longue, c) plate.

- Approche expérimentale : Pour résister mécaniquement à la haute pression statique de l’eau et

à la puissance du laser traversant le saphir du hublot, nous avons dimensionné celui-ci en utilisant la méthode de calcul de Chervin [Chervin] que nous avons, ensuite, vérifiée par les tests de résistance à la pression et à la puissance thermique du laser.

2.2 Principaux résultats

- Dimensionnement et vérification de la résistance du saphir du hublot : Les saphirs sont

optiquement transparents et très résistants à la compression mais très fragiles en pression radiale. La figure 8b montre les plans de rupture après un essai mécanique réalisé sous 3200 bars. Les tests de vérification à la tenue thermique du saphir consistaient à exposer progressivement le saphir à un laser YaG continu 1064 nm jusqu’à 10 kW (Fig 10c).

b) a) ^c) Injection d’eau THP Sortie du jet Diamètre Hauteur Hauteur d’injection Centrage de la buse

Figure 8 : a) Dispositif de test mécanique et b) plans de rupture du saphir après sollicitation à 3200 bars, c) Dispositif de test thermique du saphir exposé à un laser YaG continu 1064 nm de 10 kW

- Dimensionnement de la chambre hydro-optique : Les captures numériques de l’écoulement

dans la chambre hydro-optique confirment les hypothèses quant à la cohérence du fluide et l’absorption du laser, deux phénomènes opposés. Elles suggèrent que la forme longue avec : i) arrivée d’eau THP distante de de la buse et ii) buse centrée, donne une meilleure stabilité hydrodynamique (Fig 9a). Mais ce résultat induit une forte absorption (70%) du laser dans la colonne d’eau. D’où le choix de la forme plate centrée (Fig 9b) pour les tests de couplage.

Figure 9 : Exemple d’écoulement dans une chambre longue (a) plate (b) e du fluide hybride jet d’eau laser

A l’issue des simulations, nous avons fabriqué quelques variantes de chambre hydro-optiques en utilisant le procédé Stratoconception en collaboration avec l’équipe du CIRTES. Dans un premier temps, des maquettes physiques de la chambre longue (Fig 10a) et de la chambre plate (Fig 10b) ont été fabriquées en PMMA pour susciter le travail collaboratif des équipes autour de l’outil hybride. Ensuite, des prototypes en acier ont été fabriqués et intégrés au banc d’essai (Fig 11).

Figure 10 : Photos de la maquette en PMMA de la chambre a) longue et b) plate

a) Saphir b) _c) Saphir test Laser k = 0,93 ^{k = 2,28} a) b) a) _b)

Figure 11 : Photo du banc d’essai et outil hybride jet d’eau laser prototype de laboratoire

Finalement, le couplage a été obtenu pour des pressions d’eau (300 - 500 bars) avec une source laser YaG continu 1036 nm. Mais l’absorption importante enregistrée y compris dans le cas d’une chambre plate ne permettait pas d’obtenir une énergie suffisant de coupe. C’est pourquoi, nous avons décidé d’orienter notre recherche vers l’exploration des lasers doublés en fréquence (522 nm) qui ne présentent pas le verrou relatif à l’absorption (Fig 12). Mais ce type de laser n’est pas disponible au niveau de notre plateforme.

Figure 12 : Absorption du laser en fonction de 

Conclusion

Nos recherches ont permis de développer une approche originale de compréhension de la physique et l’optique de l’eau sous hautes pressions statiques jamais atteintes (2500 bars) notamment par la construction de modèles de prévision multi-physique de l’indice de réfraction, la densité et la polarisabilité. Ces modèles peuvent être étendus aux milieux fluides purs ou mélanges homogène. D’autre part, en dépit de l’absorption importante du laser continu et relative à la longueur d’onde utilisée, les variables du couplage hydro-optique telle que la géométrie de la chambre ou la longueur d’onde, ont pu être approchés et encadrés théoriquement et expérimentalement. Néanmoins, bien qu’un outil prototype ait pu être développé et testé à basse pression (500 bars), il subsiste encore des verrous relatifs à l’absorption du laser dans la colonne d’eau. Nous sommes ainsi arrivés à la conclusion selon laquelle, seul un laser court (522 nm) doublé en fréquence pourrait permettre de réduire sensiblement l’absorption et de ce fait conduire à un résultat susceptible de déboucher sur un outil hybride prototype à haute pression. Celui-ci serait alors capable d’usiner des matériaux de forte épaisseur et de traiter les surfaces de certaines métallurgies. Publications associées

Articles parus dans des revues internationales ou nationales

1. Weiss L., Tazibt A., Aillerie M., Tidu A., « Water density and polarizability deduced from the refractive index determined by interferometric measurements up to 250 MPa », J. of Ch. Phy 136(12) : 1242018, October 2014.

Communications dans un congrès international ou national

1. Weiss L., Tazibt A., Tidu A., Aillerie M., Optical properties of water under high pressure, TOM 7 - Optical Systems for the Energy & Production Industries EOS Annual Meeting, Proceeding EOSAM, ISBN 978-3-9815022-4-4, Aberdeen, Scotland, UK, 25-28 September 2012

Rapport de projet collaboratif national

1. Tazibt A., Weiss L., Aillerie M., P. Bourson, Tidu A., Gressel P., Pelaingre C., Chehaibou A., ADEME HYBRID-LJET - Procédé hybride propre et performant de mise en forme des matériaux par jet d’eau puissance laser sous

L’outil hybride Jet d’eau laser prototype

Arrivée du laser HeNe de réglage Tube porte chambre Système de collimation avec lentilles Système de refroidissement