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 à 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 à d'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 pour des agencements complexes de jigging, signifie qu’un changement de travail du composant de coupe «A» en acier au composant de découpe «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.

Une comparaison de CO2 et de Nd:

  YAG Découpe Laser. 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 le cuivre ou les alliages 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 spot focalisé après avoir traversé une fibre optique peut être supérieure à celle d'un spot 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, caoutchoucs naturels, etc.) sont transparentes au rayon 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 découpe 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)

  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 fond la pièce et le fondu est éjecté du bas de la coupe par leaction mécanique du jet de gaz coupant. Les matériaux ainsi coupés comprennent la majorité de ceux qui peuvent être fondus, à savoir les métaux et les thermoplastiques. Pour découper au laser ces matériaux avec succès, nous devons choisir notre gaz de coupetapez et pressez soigneusement.

  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 vers lela tête de coupe peut être comprise entre 2 et 6 bars. En revanche, l’acier inoxydable fondu nécessite une poussée mécanique beaucoup plus importante pour l’enlever de la zone de coupe et les pressions d’alimentation utilisées seront comprises entre 8 et 14 bars (lela pression requise augmente avec l'épaisseur de l'acier).