COUPE AU LASER: DES PREMIERS PRINCIPES À L’ETAT DE LA TECHNIQUE

Abstrait

  Cet article présente un aperçu du sujet de la découpe au laser. Les sujets couverts incluent; Interactions laser-matériaux, différents types de laser, l'évolution technique et commerciale de la découpe au laser et l'état de la technique.

Premiers principes

  La plupart des découpages au laser sont réalisés avec des lasers CO2 ou Nd: YAG. Les principes généraux du découpage sont similaires pour les deux types de laser, bien que les lasers au CO2 dominent le marché pour des raisons qui seront examinées plus loin dans cet article.

  Le mécanisme de base de la découpe au laser est extrêmement simple et peut être résumé comme suit:

  1. Un faisceau de lumière infrarouge de haute intensité est généré par un laser.

  2. Ce faisceau est focalisé sur la surface de la pièce à l'aide d'une lentille.

  3. Le faisceau focalisé chauffe le matériau et crée une masse fondue très localisée (généralement inférieure à 0,5 mm de diamètre) sur toute la profondeur de la feuille.

  4. Le matériau en fusion est éjecté de la zone par un jet de gaz sous pression agissant de manière coaxiale avec le faisceau laser, comme indiqué dans la fig. Par exemple, les aciers au carbone ou doux sont généralement coupés dans un jet d'oxygène pur. Le processus d'oxydation initié par le chauffage au laser génère sa propre chaleur, ce qui augmente considérablement l'efficacité du processus.)

5. Cette zone localisée d’enlèvement de matière est déplacée sur la surface de la feuille, générant ainsi une découpe. Le mouvement est obtenu par manipulation du point laser focalisé (par des miroirs CNC) ou par déplacement mécanique de la feuille sur une table X-Y à commande numérique. Il existe également des systèmes «hybrides» dans lesquels le matériau est déplacé dans un axe et le point laser dans l’autre. Des systèmes entièrement robotisés sont disponibles pour profiler des formes tridimensionnelles. Les lasers Nd: YAG peuvent utiliser des fibres optiques plutôt que des miroirs, mais cette option n'est pas disponible pour le laser CO2 à grande longueur d'onde.

  Figure 1. Schéma de la découpe au laser. La monture d'objectif ou la buse (ou les deux) peuvent être ajustés de gauche à droite ou dans et hors du plan de l'esquisse. Cela permet de centraliser le faisceau focalisé avec la buse. La distance verticale entre la buse et la lentille peut également être ajustée.

  Avant de passer à une description plus détaillée du processus de découpe, le moment est venu de résumer les avantages de la découpe au laser.

  A. Le processus se coupe à grande vitesse par rapport aux autres méthodes de profilage. Par exemple, un laser CO2 de 1500 W coupera l'acier doux de 2 mm d'épaisseur à 7,5 min-1. La même machine coupera une feuille acrylique épaisse de 5mm à ~ 12mmin-1.

  B. Dans la plupart des cas (par exemple, les deux exemples donnés ci-dessus), les composants coupés seront prêts à être utilisés immédiatement après la coupe, sans opération de nettoyage ultérieure.

  La largeur de coupe (largeur du trait de scie) est extrêmement étroite (typiquement de 0,1 à 1,0 mm). Un travail très détaillé peut être effectué sans les restrictions d'un rayon interne minimal imposé par les fraiseuses et les procédés mécaniques similaires.

  D. Le processus peut être entièrement contrôlé par CNC. Ceci, combiné à l’absence de nécessité d’arrangements complexes en jigging, signifie qu’un changement de travail du composant de coupe «A» en acier à celui de «B» en polymère peut être effectué en quelques secondes. (Remarque: les lasers Nd: YAG ne peuvent pas couper la plupart des plastiques car ils sont transparents à la lumière laser Nd: YAG).

  E. Bien que la découpe au laser soit un processus thermique, la surface réellement chauffée par le laser est très petite et la majeure partie de ce matériau chauffé est éliminée pendant la découpe. Ainsi, l'apport thermique dans la masse du matériau est très faible, les zones affectées thermiquement sont minimisées et la déformation thermique est généralement évitée.

  F. C'est un processus sans contact, ce qui signifie que le matériau doit seulement être légèrement serré ou simplement placé sous le faisceau. Les matériaux flexibles ou fragiles peuvent être coupés avec une grande précision et ne se déforment pas lors de la coupe, comme ils le seraient par des méthodes mécaniques.

  G. En raison de la nature du processus, de l’étroitesse de la largeur et de l’absence de force mécanique sur la feuille à découper, les composants peuvent être «imbriqués» très étroitement les uns aux autres. Par conséquent, les déchets de matériaux peuvent être réduits au minimum. Dans certains cas, ce principe peut être étendu jusqu'à ce qu'il n'y ait plus aucun déchet entre des bords similaires de composants adjacents.

  H. Bien que le coût en capital d’une machine de découpe au laser soit substantiel, les coûts d’exploitation sont généralement faibles. Il existe de nombreux cas industriels dans lesquels une grande installation s'est payée en moins d'un an.

I. Le processus est extrêmement silencieux comparé aux techniques concurrentes, un facteur qui améliore l'environnement de travail et l'efficacité ou le personnel d'exploitation.

  J. Les machines de découpe laser sont extrêmement sûres à utiliser par rapport à bon nombre de leurs homologues mécaniques.

  Comparaison de la découpe laser CO2 et Nd: YAG.

  Les lasers CO2 et Nd: YAG génèrent tous deux des faisceaux de lumière infrarouge de haute intensité qui peuvent être focalisés et utilisés pour la découpe.

  Beaucoup moins de lasers Nd: YAG sont vendus comme machines à couper que les lasers à CO2. En effet, pour les applications de découpe générales, les lasers au CO2 sont les plus efficaces. Les lasers Nd: YAG sont seulement préférés:

  A. Si un travail très fin et détaillé est requis sur les matériaux à section mince.

  B. Si des matériaux hautement réfléchissants tels que les alliages de cuivre ou d’argent doivent être coupés régulièrement,

OU

  C. Si une fibre optique doit être utilisée pour transporter le faisceau laser vers la pièce à travailler.

  Bien que les lasers CO2 et Nd: YAG génèrent une lumière infrarouge, la longueur d'onde de la lumière laser CO2 est dix fois supérieure à celle des machines Nd: YAG (10,6 microns et 1,06 microns respectivement). La longueur d'onde de la lumière laser Nd: YAG étant plus courte, elle présente trois avantages par rapport à la lumière laser CO2:

  1. La lumière laser Nd: YAG peut être focalisée vers un point * plus petit que la lumière laser CO2. Cela signifie qu'un travail plus fin et plus détaillé peut être réalisé (par exemple, les aiguilles d'une horloge ornementale).

  2. La lumière laser Nd: YAG est moins facilement réfléchie par les surfaces métalliques. Pour cette raison, les lasers Nd: YAG sont adaptés pour travailler sur des métaux hautement réfléchissants tels que l'argent.

  3. La lumière Nd: YAG peut traverser le verre (la lumière CO2 ne le peut pas). Cela signifie que des lentilles en verre de haute qualité peuvent être utilisées pour focaliser le faisceau sur une taille de spot minimale *. De plus, des fibres optiques de quartz peuvent être utilisées pour transporter le faisceau sur des distances relativement longues jusqu'à la pièce à travailler. Cela a conduit à l'utilisation généralisée des lasers Nd: YAG sur les lignes de production automobile, où l'espace disponible sur les lignes est limité.

  * Remarque: si une fibre optique est utilisée, la capacité de la lumière laser Nd: YAG à être focalisée jusqu'à un très petit point peut être perdue si la puissance moyenne est supérieure à 100 watts. La taille du point focalisé après avoir traversé une fibre optique peut être supérieure à celle d'un point laser CO2.

  La lumière laser Nd: YAG de longueur d'onde plus courte présente également un inconvénient majeur:

  1 La plupart des matières organiques (plastiques, produits à base de bois, cuir, caoutchouc naturel, etc.) sont transparentes à la lumière laser Nd: YAG. Pour cette raison, ils ne peuvent pas être coupés par les lasers Nd: YAG. Si la puissance du laser est faible ou si la taille du point focalisé est grande, la lumière traverse le matériau sans le chauffer suffisamment pour le couper. Si l'intensité du faisceau laser est augmentée, en augmentant la puissance ou en réduisant la taille du point, le matériau finira par réagir par une explosion localisée pouvant produire une déchirure ou un trou.

  La situation des non-métaux inorganiques (par exemple, les céramiques, les verres, le carbone, etc.) est plutôt complexe. Les lasers au CO2 peuvent être utilisés pour couper une grande partie de ces matériaux mais, une fois encore, les machines Nd: YAG peuvent rencontrer des problèmes de transparence des matériaux (c'est le cas du verre et du quartz, par exemple). L'une des réussites des deux types de laser est le profilage de substrats en céramique pour l'industrie électronique. Dans certains cas, les charges inorganiques utilisées pour colorer ou durcir les plastiques peuvent les rendre appropriées pour la découpe au Nd: YAG. En règle générale, toutefois, la découpe des polymères est effectuée uniquement par des lasers à CO2.

En résumé, les lasers Nd: YAG peuvent être utilisés pour couper des détails fins, ou avec une fibre optique, auquel cas les détails fins ne seront pas possibles (sauf lors de la découpe de feuilles ou de masques minces à faible puissance). Ils conviennent particulièrement à la coupe des alliages à haute réflectivité, mais ne peuvent pas couper beaucoup de non-métaux.

  Les lasers au CO2, en revanche, sont généralement une voie de production moins chère et sont donc privilégiés pour des besoins techniques généraux. Les lasers au CO2 ont également l’avantage de pouvoir couper une plus large gamme de matériaux allant des métaux aux polymères et au bois.

Mécanismes de coupe

  Les mécanismes de coupe peuvent découper au laser des matériaux selon divers mécanismes décrits ci-dessous. Le sous-titre de chaque mécanisme de coupe mentionne les groupes de matériaux coupés et le type de laser impliqué.

  Décolletage à l'état fondu ou coupe par fusion (la plupart des métaux et thermoplastiques - lasers CO2 et Nd: YAG)

  Figure 2 Melt 1. La plupart des matières organiques

  La figure 2 est un schéma du processus de cisaillement à l'état fondu ou de coupe par fusion. (Également appelé «découpage au gaz inerte»). [1] Dans ce cas, le faisceau laser focalisé fait fondre la pièce et le fondu est éjecté du bas de la coupe par l'action mécanique du jet de gaz de coupe. Les matériaux ainsi coupés comprennent la majorité de ceux qui peuvent être fondus, à savoir les métaux et les thermoplastiques. Pour réussir la découpe au laser de ces matériaux, nous devons choisir avec soin notre type de gaz de coupe et notre pression.

  Le type de gaz de coupe est choisi en fonction de la nature réactive du matériau à couper, c.-à-d.

  Les thermoplastiques fondus ne réagissent pas chimiquement avec l'azote ou l'oxygène, de sorte que de l'air comprimé peut être utilisé comme gaz de coupe.

  L'acier inoxydable fondu réagit avec l'oxygène mais pas avec l'azote; c'est pourquoi l'azote est utilisé dans ce cas.

  Le titane fondu réagit avec l'oxygène ou l'azote et l'argon (qui est chimiquement inerte) est donc utilisé comme gaz de coupe.

  La pression du gaz utilisé dépend également des matériaux à découper, c'est-à-dire que l'élimination du polymère fondu de la zone de coupe (lors de la découpe, par exemple du nylon) ne nécessite pas de jet de gaz à haute pression et que la pression d'alimentation de la tête de découpe peut être compris entre 2 et 6 bars. L'acier inoxydable fondu, en revanche, nécessite une poussée mécanique beaucoup plus importante pour le retirer de la zone de coupe. Les pressions d'alimentation utilisées sont donc comprises entre 8 et 14 bars (la pression requise augmente avec l'épaisseur de l'acier).

  Découpe par dégradation chimique (polymères thermodurcissables et produits du bois - lasers à CO2)

  Les plastiques thermodurcissables et les produits en bois ne sont pas coupés par le mécanisme de cisaillement à l'état fondu pour la simple raison qu'ils ne peuvent pas fondre. Dans ce cas, le laser brûle la pièce et réduit le plastique ou le bois en une fumée composée de carbone et des autres composants du matériau d'origine.

  Ce processus est appelé découpe par dégradation chimique. Comme ce processus nécessite plus d'énergie qu'une simple fusion, que les vitesses de coupe et les épaisseurs maximales des thermodurcis sont inférieures à celles des thermoplastiques, le bord de coupe de ces matériaux est généralement plat, lisse et recouvert d'une fine couche de carbone.

Coupe par évaporation (acrylique et polyacétal - lasers au CO2)

  Pour les métaux, l'idée de la découpe au laser par évaporation n'est pas du tout attrayante car l'évaporation consomme beaucoup plus d'énergie que la simple fusion nécessaire à la découpe au cisaillement à l'état fondu. Toutefois, pour certains polymères, il se produit une coupe par évaporation car les points de fusion et d'ébullition des matériaux sont très proches les uns des autres. Le matériau le plus couramment utilisé de cette manière est le polyméthacrylate de méthyle, mieux connu sous le nom d’acrylique ou par ses noms commerciaux; Perspex, Plexiglass etc.

  Ce matériau est largement utilisé pour les travaux de signalétique et d'affichage et il est heureux de pouvoir produire un bord de coupe brillant et poli en raison de sa capacité à bouillir pendant la découpe au laser.

  Découpe (céramique - lasers CO2 ou ND: YAG)

  Le rainurage est un processus permettant d'obtenir des vitesses de coupe très rapides sur des céramiques à section mince et fragiles (par exemple, AL2O3) destinées à l'industrie électronique. Le laser est utilisé en mode pulsé pour évaporer une ligne de trous peu profonds à la surface de la feuille de matériau. Le matériau est ensuite cassé le long de ces lignes de faiblesse. Pour des raisons évidentes, le processus n’est approprié que pour la production de lignes droites.

Découpe par oxydation (Aciers doux et Aciers au carbone - Lasers CO2 ou Nd: YAG)

  L'acier doux et les aciers au carbone peuvent être coupés par le procédé de cisaillement à l'état fondu en utilisant de l'azote, mais ils sont généralement coupés en utilisant de l'oxygène comme gaz de coupe. L'oxygène réagit chimiquement avec le fer dans la zone de coupe, ce qui présente deux avantages pour le processus de coupe:

  1. La réaction génère de la chaleur, ce qui accélère le processus de coupe et améliore ainsi les vitesses de coupe et augmente l'épaisseur maximale pouvant être coupée.

  2. La réaction produit une masse fondue oxydée qui a une faible viscosité et n'adhère pas bien à l'acier solide de part et d'autre de la coupe. Cela signifie que le liquide s'échappe facilement de la zone de coupe et qu'il n'y a pas de matière fondue résiduelle (scories) attachée au bord inférieur de la coupe.

  La réaction chimique présente également deux inconvénients:

  1. La sensibilité du processus est accrue dans la mesure où les paramètres de processus suivants sont concernés.

  Le faisceau laser doit être précisément centré sur le trou de la buse de la tête de coupe (voir figure 1).

  Le faisceau laser doit avoir une distribution d'énergie symétrique axialement.

  2. La réaction chimique laisse une fine pellicule d'oxyde de fer (~ 100 "m) sur le bord coupé. Cette couche d'oxyde est fragile et n'est pas fixée fermement à l'acier sous-jacent. Ce n’est généralement pas un problème, mais il peut s’éclater en service après qu’une pièce ait été peinte, entraînant la peinture. Pour cette raison, certains clients insistent pour que les composants en acier doux coupés à l'azote soient coupés à l'azote.

Étude de cas

  Il est trompeur de choisir un seul composant et de démontrer ensuite pourquoi la découpe au laser est la méthode de production préférée. Afin de donner une image plus large, considérons un type de composant, c’est-à-dire une plaque plate approximativement rectangulaire avec dix trous, trois fentes et quelques détails de bords. Supposons une taille totale de 200 mm x 300 mm.

  L’itinéraire vers la fabrication sera déterminé par un certain nombre de facteurs:

  Type et épaisseur de matériau, nombre de composants requis, précision requise, qualité requise des bords, taille des trous / fentes, etc.

  La décision dépendra des coûts associés à la production de pièces de qualité appropriée. La méthode la moins chère sera ensuite choisie. Dans de nombreux cas, la découpe au laser sera la solution la moins chère, mais il est intéressant de fournir quelques exemples différents du produit pour montrer quand une méthode alternative serait choisie:

  1. Matériau - Le découpage au laser CO2 en acier d'épaisseur 3mm serait choisi, sauf dans les conditions suivantes.

  Si nous avons besoin de plus de 100 000 composants. Pour les grandes séries, les coûts initiaux associés au poinçonnage des outils fixes peuvent être justifiables.

  Si le contour global ne nécessite aucun profil complexe et ne nécessite qu'une ou deux pièces, le découpage au plasma ou au chalumeau suivi de l'usinage peut être un concurrent.

  Si les tolérances de taille sur les trous ou les fentes devaient être bien meilleures que les ± 0,1 mm typiques du découpage laser au CO2 commercial. Dans ce cas, la découpe au laser Nd: YAG, le poinçonnage CNC ou l'usinage par décharge électrique peuvent être préférés

2. Matériau - métal épais de 15mm:

  Dans ce cas, la découpe au laser CO2 serait généralement choisie comme l'option la moins chère si le métal en question était l'acier. Cependant, la découpe au laser commerciale ne peut pas être utilisée pour profiler des alliages d'aluminium ou de cuivre à cette épaisseur et l'alternative habituelle serait la découpe au jet d'eau abrasif.

  3. Matériau - Titane 5mm:

  La découpe au laser CO2 serait utilisée dans ce cas si la zone affectée par la chaleur créée le long du bord de coupe n’était pas importante pour le produit fini.

  Dans les applications critiques de la résistance à la fatigue, la zone affectée par la chaleur poserait des problèmes, de sorte que l’usinage mécanique, l’usinage au jet d’eau abrasif ou l’usinage par décharge électrique pourraient être utilisés.

  4. Matériau - polymère 10mm:

  Dans ce cas, le découpage au laser CO2 serait utilisé sauf si le nombre de composants impliqués justifiait l'utilisation de techniques de moulage par injection.

L'état de l'art

  L’état de la technique d’un sujet aussi varié que la découpe au laser n’est pas un sujet unique. Les performances d'une machine dédiée à une seule application peuvent être très différentes de celles d'une installation de type atelier plus polyvalente.

  C’est pour cette raison que l’état de la technique est mieux décrit sous un certain nombre de points:

  Découpe Laser Job Shop

  Depuis le début de la découpe laser en tant que processus industriel au début des années 1970, les fabricants de machines ont régulièrement augmenté la puissance des lasers concernés. La puissance utilisée pour le découpage a toujours été inférieure aux puissances maximales disponibles, car le découpage au laser nécessite un faisceau de haute qualité, qui peut être focalisé jusqu'à un petit point avec une densité d'énergie symétrique axialement (cette symétrie est nécessaire pour que le faisceau puisse pénétrer aussi bien toutes directions).

  Les machines de découpe modernes (2004) utilisent souvent des puissances comprises entre 3,5 kW et 5,5 kW capables de cadences de production très élevées. Du point de vue d'un atelier, deux paramètres importants sont l'épaisseur maximale d'un matériau pouvant être coupé et les vitesses de coupe disponibles. Le tableau 1 donne l'épaisseur maximale approximative, qui peut être réduite à 4 et 5 kW par des lasers à CO2.

  Tableau 1. Épaisseur maximale approximative des matériaux pour les lasers à CO2.

  Vitesses de coupe

  Le sujet des vitesses de coupe fait l’objet de beaucoup d’interprétations et les responsables commerciaux ont publié de nombreuses informations trompeuses au cours des trois dernières décennies. Ces dernières années, les fabricants de machines ont réalisé deux points importants.

  1. Ce n’est pas seulement la vitesse de coupe linéaire maximale qui importe; c'est le temps de cycle pour le composant.

  2. Il est souvent préférable de réduire la puissance d'une machine multikilowatt pour couper des matériaux plus minces. (Ainsi, votre machine de 4 kW peut automatiquement réduire sa puissance à 2 kW pour couper de l’acier doux de 2 mm d’épaisseur).

  Afin de maximiser la production, les fabricants de machines se sont récemment concentrés sur les accélérations de la machine et les vitesses de déplacement entre les coupes. L'amélioration de ces domaines et de sujets connexes tels que les temps de perçage et les taux de rétraction de la tête ont fait de la vitesse de découpe laser une petite composante d'un calcul compliqué permettant d'estimer les temps de cycle des composants. De nos jours, le seul moyen précis de comparer les performances de deux machines consiste à effectuer des essais sur des composants réels. Cependant, le tableau 2 présente certaines vitesses de coupe typiques.

Tableau 2. Vitesses de coupe au laser typiques pour les lignes droites de plusieurs centaines de millimètres de long avec une puissance d'environ 5 kW. (Chiffres moyens calculés à partir de ceux donnés par Bystronic et Trumpf)

  Applications spécialisées

  Aucun aperçu de l'état de la technique ne serait complet sans un aperçu de certaines applications spécialisées. Deux de ces applications sont le développement de la coupe à grande vitesse et de la coupe en sections épaisses développé par l'Institut Fraunhofer de Lasertechnik à Aix-la-Chapelle, en Allemagne. Par un contrôle minutieux des paramètres de processus, les équipes d’Aix-la-Chapelle ont découpé de l’acier inoxydable de plus de 40 mm d’épaisseur. Le développement d’une machine à refendre au laser pour les aciers à section mince est encore plus intéressant car il implique un type inhabituel d’interaction laser-matériau dans la coupe zone. Il a été mentionné précédemment que l’évaporation est généralement à éviter lors de la coupe de métaux car elle consomme beaucoup d’énergie. Cependant, lors de la coupe de sections minces à grande vitesse, le processus d’évaporation peut faciliter le processus de coupe en appliquant une pression localisée dans la zone de coupe qui aide à éjecter la matière fondue. En utilisant ce principe, l'équipe d'Aix-la-Chapelle a atteint des vitesses de coupe supérieures à 145 m / min pour une épaisseur de tôle d'acier de 0,23 mm [2].

  Le développement des machines de découpe de tubes au laser est un secteur de progrès récent, qui est devenu très populaire au cours des deux ou trois dernières années. Il existe maintenant des machines capables de traiter des tubes de presque toutes les sections, avec des diamètres allant jusqu'à quelques centaines de millimètres. L'avènement de telles machines a encouragé de nouvelles attitudes à l'égard du design. Au lieu de fabriquer, par exemple, deux pieds de support et une pièce transversale en trois pièces, l’ensemble peut être découpé au laser dans une longueur de tube et simplement plié avant le soudage - voir figure 3.

  Figure 3. Profilé spécialement conçu pour la production de coudes courbes

  De plus, des joints à rainure et languette pour le travail du bois peuvent être utilisés pour faciliter l’assemblage final ou la fabrication du soudage, voir figure 4.

  Figure 4. La conception pour la découpe au laser peut impliquer l'utilisation de joints à rainure et languette de type bois. (Échantillon proposé par BLM: Adige)

  Un autre domaine d’intérêt récent est la croissance du lasermicro usinage. Ce domaine d'application est en train de devenirde plus en plus populaire dans l'électronique et le biomédicaldes champs. Les lasers impliqués ont généralement besoin de plus petitespoints focalisés que sont possibles en utilisant CO2 infrarouge etlasers Nd: YAG standard. Pour cette raison, les lasers quigénérer de la lumière visible ou ultraviolette sont utilisés et leprocessus de coupe est celui de l'évaporation ou de l'ablation plutôtque le type de profilage Figure 3.

Conclusion

  Depuis ses débuts au début des années 1970, la découpe au laser acontinuellement étendu pour occuper un marché en croissance constantepartager. La rentabilité du processus est clairementévidente dans son vaste champ d’application. Il est clair queaméliorations incrémentielles à la fois logicielles et matériellesassurera le succès continu du processus.

Remerciements

  Les auteurs souhaitent remercier le découpage au laserfabricants de machines Bystronic, Trumpf etBLM: Adige pour son aide dans la production de ce papier.Merci également à Laura Adams pour la préparation de ce document.