IREPA LASER est une société technologique française spécialiste des applications industrielles du laser, en particulier la fabrication additive, le soudage et le micro-usinage. C’est sur ces sujets qu’elle accompagne des acteurs issus de toutes les industries, de la définition de leur besoin à la mise en œuvre opérationnelle de solutions adaptées sur le terrain. Depuis sa création, en 1982, l’entreprise a toujours été étroitement liée à l’INSA Strasbourg. Et pour cause : c’est au sein des locaux de l’ENSAIS – ancien nom de l’école – qu’elle a vu le jour, sous l’impulsion d’un de ses étudiants : Olivier Fréneaux. « Dès lors, le lien d’origine entre les deux entités n’a fait que se renforcer », résume Frédéric Mermet, expert micro-applications chez IREPA LASER. « Cette relation a, bien sûr, pris la forme de projets de recherche, mais aussi d’échanges de formation : nous accueillons régulièrement des étudiants dans nos locaux pour les initier aux métiers du laser industriel. » Un partenariat pérenne au sein duquel s’est logiquement intégré, dès sa naissance en 2013, le laboratoire ICube (CNRS/Université de Strasbourg/INSA Strasbourg/ENGEES), composante de l’institut Carnot TSN.

Une fonctionnalisation de surface inspirée de la nature

Du côté de la recherche, les deux partenaires ont mené de nombreux travaux communs, premièrement sur la technique de « jet photonique », qui consiste à focaliser un faisceau laser de façon très fine, au-delà des limites habituelles. Ce procédé, qui a donné lieu au dépôt de brevets communs, peut être employé pour de multiples applications industrielles, parmi lesquelles la microgravure. Celle-ci permet, par exemple, d’ajouter un minuscule marquage à un objet, assurant sa traçabilité et limitant les risques de contrefaçon. IREPA LASER et ICube travaillent principalement sur les lasers femtosecondes, caractérisés par leur durée d’impulsion très courte, de l’ordre de quelques centaines de femtosecondes – soit de millionièmes de milliardième de seconde. Les domaines d’application de cette technologie sont, une nouvelle fois, nombreux : découpe extrêmement précise, soudage, perçage à très petite échelle, ou encore fonctionnalisation de verres, de métaux ou de semi-conducteurs. La fonctionnalisation consiste à retirer un faible volume de matière sur une surface de sorte à créer un motif conférant, sans dépôt chimique supplémentaire, de nouvelles propriétés au matériau : hydrophobie, réduction des frottements, texture antibactérienne, effets colorés sans adjonction de pigments… Mais comment prévoir la fonction induite par l’ajout d’un motif donné ? « Cette question constitue un enjeu permanent dans l’industrie : nous cherchons continuellement à améliorer notre connaissance des textures et de leurs incidences sur les propriétés des matériaux », souligne Frédéric Mermet. « Et pour cela, nous procédons beaucoup par biomimétisme, en nous inspirant de la nature : par exemple, les écailles de requin hydrodynamiques, la texture hydrophobe de la fleur de lotus, la surface antireflet des ailes de certains insectes… »

Le défi du passage à l’échelle industrielle de la fonctionnalisation

Si ce savoir reste donc à compléter, les deux partenaires ont toutefois déjà développé une expertise en texturation des surfaces au fil du temps. « Cependant, il n’est pas toujours possible de généraliser : d’un matériau à un autre, le comportement associé à une texture peut être très différent », avertit Sylvain Lecler, professeur à l’INSA Strasbourg au sein du laboratoire ICube. « Et à cela s’ajoute un enjeu majeur : pour une utilisation pertinente en milieu industriel, il faut désormais être capable d’appliquer notre savoir-faire à des surfaces beaucoup plus grandes, ce qui pose de nouveaux défis. » C’est notamment pour appréhender ce passage à l’échelle qu’IREPA LASER et ICube ont décidé de doter leur collaboration d’une nouvelle structure : le laboratoire commun LaserSurf. Lauréat de l’appel à projets LabCom 2022 de l’Agence nationale de la recherche (ANR), celui-ci a été lancé en février 2023, pour une durée de quatre ans et demi. « Le laboratoire commun nous offre davantage de cohérence : jusqu’à présent, les projets de recherche étaient menés indépendamment, tandis que dorénavant, ils s’inscrivent dans une logique à long terme », se réjouit Sylvain Lecler. « Cette projection sur plusieurs années nous aide aussi à explorer des sujets plus en amont, afin de vérifier s’ils présentent un intérêt pour IREPA LASER. » LaserSurf réunit ainsi une quinzaine de permanents, auxquels s’ajoutent des étudiants en thèse, des post-doctorants, ou encore des stagiaires. De plus, deux ingénieurs ont pu être recrutés dans le cadre d’un projet inter-Carnot, associant les instituts Carnot TSN et MICA. L’institut Carnot TSN a d’ailleurs prolongé son appui au laboratoire commun en soutenant la réalisation d’une vidéo de présentation de LaserSurf.

Pilotage et mise en forme du laser

Dans le cadre de cette nouvelle structure, les deux partenaires entendent s’appuyer sur leur connaissance des lasers femtosecondes et accompagner le passage à l’échelle de la technologie. Avec, en ligne de mire, des applications telles que des ailes d’avion fonctionnalisées par texturation laser afin de diminuer la résistance à l’air, et donc la consommation d’énergie de l’appareil. « Néanmoins, une telle ambition implique d’améliorer la capacité de balayer de grandes surfaces avec un laser femtoseconde, en maintenant la qualité et la précision du procédé », note Frédéric Mermet. « Il faut donc une nouvelle instrumentation aidant à positionner finement le laser par rapport à la pièce, avec le bon angle. » À cet effet, un projet de recherche vise précisément à développer une solution d’assistance au pilotage d’un cobot – un robot collaboratif –, comprenant des instruments, des capteurs, ainsi qu’une architecture logicielle. Son but est d’identifier et de mettre au point l’interface la plus adaptée à la commande d’un laser femtoseconde en milieu industriel, en respectant les exigences de précision et de rapidité des flux de données, pour un pilotage en temps réel. Une première version de l’outil a déjà été élaborée et testée, avec succès, des résultats encourageants que l’équipe de recherche entend continuellement améliorer. Par ailleurs, un autre obstacle au recours aux procédés de laser femtoseconde par l’industrie se situe, à l’heure actuelle, dans leur coût de mise en œuvre. LaserSurf entend donc les rendre plus accessibles, notamment en améliorant leur efficacité. « Pour cela, nous pouvons agir sur la mise en forme à la fois spatiale et temporelle du laser », expose Sylvain Lecler. « Il peut, par exemple, être constitué d’une matrice de points, chaque point pouvant, de surcroît, avoir une forme particulière. Et sur l’aspect temporel, nous pouvons utiliser des rafales à haute fréquence, ce qui modifie l’interaction entre le laser et la matière. »

Suivi du procédé de texturation laser par IA

En parallèle, les chercheurs ont développé un algorithme d’intelligence artificielle pour suivre le déroulement d’un procédé de texturation laser. Plus précisément, il s’agit d’analyser la lumière émise pendant l’opération, à l’aide d’un spectromètre. « Ici, le rôle de l’IA est double », décrit Sylvain Lecler. « Premièrement, à partir de ses données d’apprentissage, elle est capable de vérifier si les paramètres demandés au laser sont bien ceux appliqués à la pièce. Par exemple, elle donne une mesure de la fluence – la densité d’énergie laser. Puis, notre modèle a appris, à partir d’un jeu de données d’entraînement, à établir une correspondance entre des paramètres de laser et les effets colorés générés. Ce qui lui permet désormais de prédire la couleur qui sera obtenue par texturation à partir des paramètres utilisés. » Si l’algorithme de suivi est déjà opérationnel, il reste à perfectionner, notamment en augmentant la fréquence des mesures réalisées. De plus, l’équipe de LaserSurf, qui s’est jusqu’à présent concentrée sur la question des effets colorés, souhaite adapter le modèle à d’autres fonctionnalités. IREPA LASER et ICube mènent ainsi de multiples projets de recherche de front, espérant aboutir à des innovations majeures d’ici à septembre 2027, date de fin prévue du laboratoire commun. « Mais, évidemment, notre collaboration ne cessera pas à ce moment-là », projette Sylvain Lecler. « Elle a débuté il y a plus de quarante ans, mais il reste encore tant à découvrir qu’elle n’est pas près de s’arrêter ! Nous prévoyons d’inscrire LaserSurf dans la durée, même après la fin du financement de l’ANR. » Pour continuer à explorer les possibilités infinies du laser industriel.