Machine à découper au laser

Contour

• Paramètres de traitement des matériaux

• Description du processus

• Mécanismes de découpe au laser

Effet de la densité de puissance

• La densité de puissance est le facteur clé du processus

• Densité de puissance (intensité) = P / pr2

Variables de processus pour le traitement des articles

• Les autres variables de processus importantes:

Diagramme temps d'interaction et processus empirique

• temps d'interaction, t = 2 r / v

où r = rayon du faisceau et v = vitesse

Acier de construction

Coupe

• La découpe au laser est capable de couper plus rapidement et avec une qualité supérieure à celle des processus concurrents:

- Poinçon, plasma, jet d'eau abrasif, ultrasons, oxyflame, sciage et fraisage

• Peut être automatisé

• Au Japon, 80% des lasers industriels sont utilisés pour la coupe du métal

Configuration de coupe typique

Caractéristiques du processus

• C'est l'un des processus de coupe les plus rapides.

• La pièce à usiner n’a pas besoin de serrage, mais il est conseillé de la maintenir en place pour éviter tout décalage lors de l’accélération de la table et pour la localisation lors de l’utilisation d’un programme à commande numérique.

• L'usure des outils est nulle car le processus est un processus de coupe sans contact.

• Des coupures peuvent être effectuées dans n'importe quelle direction. La polarisation peut affecter l'efficacité du processus.

• Le niveau de bruit est faible.

• Le processus peut être facilement automatisé avec de bonnes perspectives de contrôle adaptatif à l'avenir.

• Aucune modification coûteuse de l'outillage n'est principalement "souple". C'est qu'ils ne sont que des changements de programmation. Ainsi, le processus est très flexible.

• Certains matériaux peuvent être coupés en pile, mais il peut y avoir un problème de soudure entre les couches.

• Presque tous les matériaux d'ingénierie peuvent être coupés. Ils peuvent être friables, fragiles, conducteurs électriques ou non conducteurs, durs ou mous.

- Seuls les matériaux hautement réfléchissants tels que l'aluminium et le cuivre peuvent poser problème, mais avec un contrôle de faisceau adéquat, ils peuvent être coupés de manière satisfaisante.

Réponse du processus

• La largeur de coupe peut être très étroite, ce qui permet une économie substantielle de matière. (Kerf est la largeur de l'ouverture de la coupe)

• Les arêtes de coupe peuvent être carrées et non arrondies, contrairement à la plupart des processus de jet chaud ou autres techniques de coupage thermique.

• Le bord coupé peut être lisse et propre. C'est une coupe finie, ne nécessitant aucun nettoyage ou traitement supplémentaire.

• Le bord de coupe peut être directement soudé avec peu ou pas de préparation de la surface.

• Il n’ya pas de bavure de bord comme avec les techniques de coupe mécanique. L'adhérence de dross peut généralement être évitée.

• Il existe une ZAT (zone affectée par la chaleur) très étroite et une couche resolidifiée très mince de quelques µm, en particulier sur les coupes sans scories. La distorsion est négligeable.

• Certains matériaux, notamment ceux qui se volatilisent, tels que le bois ou l’acrylique, peuvent être découpés à l’aveugle.

• La profondeur de coupe dépend de la puissance du laser. 10-20mm est la gamme actuelle pour des coupes de haute qualité. Certains lasers à fibre de très haute puissance pourraient couper 50 mm.

Scories

Mécanismes de processus

• Le faisceau traverse une trajectoire programmée et l’enlèvement de matière se produit en raison de multiples mécanismes.

• fonte

- Les matériaux présentant une phase fondue de faible viscosité, notamment les métaux et alliages, ainsi que les thermoplastiques, sont découpés par l'action chauffante d'un faisceau de densité de puissance de l'ordre de 104Wmm − 2.

- La fusion est assistée par l'action de cisaillement d'un courant de gaz auxiliaire actif ou inerte, entraînant la formation d'un canal fondu à travers le matériau appelé trait de scie (fente).

• vaporisation

- Convient aux matériaux qui ne sont pas facilement fondus (certains verres, céramiques et composites)

- Les matériaux peuvent être coupés par vaporisation induite par une densité de puissance de faisceau plus élevée (> 104Wmm − 2)

• Dégradation chimique

- Un trait de scie peut se former dans de nombreuses matières organiques par dégradation chimique provoquée par l'action de chauffage du faisceau.

Mécanisme d'enlèvement de matière dans différents matériaux

Gaz inerte en fusion Cisaillement ou fusion et soufflage

Faire fondre et souffler

• Une fois qu'un trou de pénétration est fait ou que la coupe commence à partir du bord

• Un jet de gaz suffisamment puissant pourrait expulser le matériau fondu de la matrice pour empêcher la température de monter davantage jusqu'à la température d'ébullition.

• La découpe avec un jet de gaz inerte ne nécessite qu'un dixième de la puissance requise pour la vaporisation

• Notez que le rapport chaleur latente de fusion / vaporisation est de 1:20.

Modélisation du processus

Faire fondre et souffler

• Le groupe [P / tV] est constant pour la découpe d'un matériau donné avec un faisceau donné.

Action de coupe

• Le faisceau est incident à la surface

- La majeure partie du faisceau passe dans le trou ou le trait de scie

- une partie se reflète sur la surface non fondue

- Certains peuvent passer tout droit.

• À basse vitesse, la matière fondue commence au bord d'attaque du faisceau et une grande partie du faisceau passe propre à travers le trait de scie sans se toucher si le matériau est suffisamment mince.

Mécanisme de soufflage de fusion détaillé

• L’absorption se fait par deux mécanismes:

- principalement par absorption de Fresnel, c’est-à-dire interaction directe du faisceau avec le matériau -

- par absorption plasmatique et reradiation. L’accumulation de plasma dans le découpage n’est pas très importante en raison du gaz qui le chasse.

• La densité de puissance sur le front de coupe est Fsinq. Cela provoque une fusion qui est ensuite balayée par les forces de traînée du flux de gaz rapide.

• Au fond du trait de scie, la masse fondue est plus épaisse en raison de la décélération du film et de la tension superficielle empêchant la masse fondue de s'échapper.

• Le flux de gaz éjecte les gouttelettes fondues à la base de

la coupe dans l'atmosphère.

Formation des Striations

• Lorsque le taux de coupe augmente, le faisceau est automatiquement couplé plus efficacement à la pièce en réduisant les pertes par le trait de scie.

• Le faisceau a également tendance à avancer sur le matériau non fondu. Lorsque cela se produit, la densité de puissance augmente car la surface n'est pas inclinée.

• La fusion s'effectue plus rapidement et est entraînée dans le trait de scie comme une étape. Lorsque la marche est abaissée, elle laisse une marque sur le bord coupé, appelée striation.

• La cause des stries est contestée, il existe de nombreuses théories:

- La théorie des pas

- taille critique des gouttelettes provoquant une pulsation de la taille de la masse fondue avant de la libérer par soufflage

- La théorie de la combustion latérale.

• Il existe des conditions dans lesquelles aucune strie ne se produit. Celles-ci sont régies par un flux de gaz ou par une impulsion à la fréquence de la striation naturelle.

Striations

Coupe par fusion réactive

• Si le gaz auxiliaire est également capable de réagir de manière exothermique, une source de chaleur supplémentaire est ajoutée au processus.

• Le gaz traversant la saignée ne fait pas que traîner la matière en fusion, il réagit également avec celle-ci.

• Le gaz réactif est généralement de l'oxygène ou un mélange contenant de l'oxygène.

• La réaction de combustion commence généralement à la température d'allumage au sommet.

• L'oxyde est formé et insufflé dans le trait de scie et recouvre la masse fondue plus bas, ce qui ralentit la réaction et peut même provoquer une rupture des lignes de striation.

Fusion réactive.

• La quantité d’énergie fournie par la réaction de combustion varie en fonction du matériau.

- avec de l'acier doux / inoxydable, il est de 60%

- avec un métal réactif comme le titane, il est d'environ 90%.

• Les vitesses de coupe pourraient être doublées avec cette technique.

• Généralement, plus la coupe est rapide, moins la pénétration de chaleur est importante et meilleure est la qualité.

• Une fusion chimique peut entraîner une modification chimique de la pièce.

- Avec le titane, cela peut être critique car le bord contiendra de l'oxygène et sera plus dur et plus susceptible de se fissurer.

- Avec l’acier doux, il n’ya pas d’effet perceptible à l’exception d’une très fine couche d’oxyde reconstituée à la surface de la surface.

Fusion réactive…

• Les scories sont un oxyde (au lieu de métal)

- L’acier doux coule bien et n’adhère pas au métal de base

- Avec l’acier inoxydable, l’oxyde est composé de composants à point de fusion élevé tel que le Cr2O3 (point de fusion ~ 218O ° C), ce qui gèle plus rapidement et pose un problème d’écume.

- L'aluminium présente un comportement similaire

• En raison de la réaction de brûlure, une autre cause de stries est introduite

- Lors d'une coupe lente (inférieure aux vitesses de réaction de combustion), la température d'inflammation sera atteinte et la combustion se produira à partir du point d'allumage, dans toutes les directions.

Striations en coupe par fusion réactive

Processus de fracture contrôlée

• Les matériaux fragiles sont vulnérables à la fracture thermique. Ils peuvent être rapidement et proprement coupés en guidant une fissure avec un point fin chauffé au laser.

• Le laser chauffe un petit volume de la surface, ce qui provoque son expansion et donc des contraintes de traction tout autour.

• S'il y a une fissure dans cet espace, cela agira comme un facteur de stress et la fissuration se poursuivra en direction du point chaud.

• La vitesse à laquelle une fissure peut être guidée est de l'ordre de m / s

• Lorsque la fissure s'approche d'un bord, les champs de contraintes deviennent plus complexes.

Fracture contrôlée

• avantages:

- La vitesse, la qualité des bords et la précision sont très bonnes pour la coupe du verre.

- Efficace pour les coupes droites

• Désavantages:

- Difficulté à créer des découpes profilées telles que pour la fabrication de rétroviseurs de voiture

- Difficile à modéliser et à prévoir près des bords

Plage de traitement pour fracture contrôlée

Traçage

• Il s’agit d’un processus permettant de créer une rainure ou une ligne de trous pénétrant complètement ou partiellement

• Ceci affaiblit suffisamment la structure pour qu’elle puisse être cassée mécaniquement

• Les matériaux traités sont généralement des copeaux de silicium et des substrats d'alumine

• La qualité est mesurée par le manque de débris et la zone affectée par une faible chaleur

• Ainsi, des impulsions à faible énergie et haute densité de puissance sont utilisées pour éliminer le matériau principalement sous forme de vapeur.

Coupe par vaporisation

• Le faisceau focalisé en phase de vaporisation chauffe d'abord la surface jusqu'à ébullition et génère un trou de serrure.

• Le trou de la serrure provoque une augmentation soudaine de l'absorptivité due aux réflexions multiples et le trou s'approfondit rapidement.

• Au fur et à mesure de son approfondissement, de la vapeur est générée et échappe au soufflage des éjectas hors du trou ou de la saignée et à la stabilisation des parois en fusion du trou.

• C'est la méthode habituelle de coupe pour les lasers à impulsions ou dans la coupe de matériaux qui ne fondent pas tels que le bois, le carbone et certains plastiques.

Vaoporization

• Le taux de pénétration du faisceau dans la pièce à usiner peut être estimé à partir d’un bloc

calcul de la capacité thermique en supposant

- flux de chaleur 1D

- La conduction est ignorée

- Le taux de pénétration est similaire ou supérieur au taux de conduction

- volume enlevé par seconde par unité de surface = vitesse de pénétration, V m / s

Vaporisation

Coupe à froid

• Les lasers UV Excimer haute puissance présentent une coupe à froid

- L'énergie du photon ultraviolet est de 4,9 eV, ce qui est similaire à l'énergie de liaison de nombreux matériaux organiques.

- Si une liaison est établie par un tel photon, elle peut se rompre

- Lorsque ce rayonnement est appliqué sur du plastique avec un flux de photons suffisant pour qu'il y ait au moins un photon / lien, le matériau disparaît alors sans chauffage, laissant un trou sans débris ni dommage aux bords

Effet de la taille du spot

• Les paramètres principaux sont la puissance laser, la vitesse de déplacement, la taille du point et l'épaisseur du matériau.

• La taille de spot agit de deux manières:

- d’abord, une diminution de la taille du spot augmentera la densité de puissance qui affecte l’absorption et

- Deuxièmement, cela réduira la largeur de coupe.

• Lasers à mode stable et à ordre faible - généralement, les vrais modes TEMoo sont nettement plus efficaces que les autres modes

Longueur d'onde

• Plus la longueur d'onde est courte, plus l'absorption est élevée pour la plupart des métaux

• Ainsi, le rayonnement YAG est préférable au rayonnement CO2, mais la structure en mode pauvre de la plupart des

YAG lasers l'avantage est compensé

• Les lasers à fibre avec un bon mode de faisceau pourraient avoir un avantage.

Résumé

• Bases de la découpe laser

Mécanismes

• Facteurs affectant la découpe au laser