L'introduction de la découpe laser

La découpe au laser est une technologie qui utilise un laser pour vaporiser les matériaux, ce qui donne un bord coupé.Bien qu'il soit généralement utilisé pour les applications de fabrication industrielle, il est maintenant utilisé par les écoles, les petites entreprises, l'architecture et les amateurs.La découpe au laser fonctionne en dirigeant la sortie d'un laser haute puissance le plus souvent à travers l'optique.L'optique laser et la CNC (commande numérique par ordinateur) sont utilisées pour diriger le faisceau laser vers le matériau.Un laser commercial pour la découpe de matériaux utilise un système de contrôle de mouvement pour suivre une CNC ou un code G du motif à découper sur le matériau.Le faisceau laser focalisé est dirigé vers le matériau, qui fond, brûle, se vaporise ou est emporté par un jet de gaz,[1] laissant un bord avec une finition de surface de haute qualité

Histoire
En 1965, la première machine de découpe laser de production a été utilisée pour percer des trous dans des matrices en diamant.Cette machine a été fabriquée par le Western Electric Engineering Research Center.[3]En 1967, les Britanniques ont été les pionniers de la découpe au jet d'oxygène assistée par laser pour les métaux.[4]Au début des années 1970, cette technologie a été mise en production pour découper du titane pour des applications aérospatiales.Dans le même temps, les lasers CO2 ont été adaptés pour couper des non-métaux, tels que les textiles, car, à l'époque, les lasers CO2 n'étaient pas assez puissants pour surmonter la conductivité thermique des métaux.[5]

Traiter

Découpe laser industrielle de l'acier avec instructions de coupe programmées via l'interface CNC
Le faisceau laser est généralement focalisé à l'aide d'une lentille de haute qualité sur la zone de travail.La qualité du faisceau a un impact direct sur la taille du spot focalisé.La partie la plus étroite du faisceau focalisé est généralement inférieure à 0,0125 pouce (0,32 mm) de diamètre.Selon l'épaisseur du matériau, des largeurs de coupe aussi petites que 0,004 pouce (0,10 mm) sont possibles.[6]Afin de pouvoir commencer à couper depuis un autre endroit que le bord, un perçage est effectué avant chaque coupe.Le perçage implique généralement un faisceau laser pulsé de haute puissance qui fait lentement un trou dans le matériau, prenant environ 5 à 15 secondes pour l'acier inoxydable de 0,5 pouce d'épaisseur (13 mm), par exemple.

Les rayons parallèles de lumière cohérente de la source laser se situent souvent dans la plage comprise entre 0,06 et 0,08 pouces (1,5 et 2,0 mm) de diamètre.Ce faisceau est normalement focalisé et intensifié par une lentille ou un miroir jusqu'à un très petit point d'environ 0,001 pouce (0,025 mm) pour créer un faisceau laser très intense.Afin d'obtenir la finition la plus lisse possible lors de la découpe des contours, la direction de la polarisation du faisceau doit être tournée lorsqu'elle contourne la périphérie d'une pièce profilée.Pour la découpe de tôle, la distance focale est généralement de 1,5 à 3 pouces (38 à 76 mm).[7]

Les avantages de la découpe au laser par rapport à la découpe mécanique comprennent une tenue de travail plus facile et une contamination réduite de la pièce (puisqu'il n'y a pas d'arête de coupe qui peut être contaminée par le matériau ou contaminer le matériau).La précision peut être meilleure, car le faisceau laser ne s'use pas pendant le processus.Il y a également un risque réduit de déformation du matériau qui est coupé, car les systèmes laser ont une petite zone affectée par la chaleur.[8]Certains matériaux sont également très difficiles voire impossibles à découper par des moyens plus traditionnels.

La découpe au laser pour les métaux présente les avantages par rapport à la découpe au plasma d'être plus précise[9] et d'utiliser moins d'énergie lors de la découpe de tôles ;cependant, la plupart des lasers industriels ne peuvent pas couper à travers la plus grande épaisseur de métal que le plasma peut.Les nouvelles machines laser fonctionnant à une puissance plus élevée (6000 watts, contrairement aux premières machines de découpe laser de 1500 watts) se rapprochent des machines à plasma dans leur capacité à couper à travers des matériaux épais, mais le coût en capital de ces machines est beaucoup plus élevé que celui du plasma. machines de découpe capables de découper des matériaux épais comme des tôles d'acier.[10]

Les types

Découpeur laser CO2 4000 watts
Il existe trois principaux types de lasers utilisés dans la découpe laser.Le laser CO2 convient à la découpe, au perçage et à la gravure.Les lasers néodyme (Nd) et néodyme yttrium-aluminium-grenat (Nd:YAG) sont de style identique et ne diffèrent que par leur application.Le Nd est utilisé pour l'alésage et lorsqu'une énergie élevée mais une faible répétition sont nécessaires.Le laser Nd:YAG est utilisé là où une puissance très élevée est nécessaire et pour le perçage et la gravure.Les lasers CO2 et Nd/Nd:YAG peuvent être utilisés pour le soudage.[11]

Les lasers CO2 sont généralement « pompés » en faisant passer un courant à travers le mélange gazeux (excité par courant continu) ou en utilisant de l'énergie radiofréquence (excitée par RF).La méthode RF est plus récente et est devenue plus populaire.Étant donné que les conceptions CC nécessitent des électrodes à l'intérieur de la cavité, elles peuvent rencontrer une érosion des électrodes et un placage du matériau d'électrode sur la verrerie et l'optique.Étant donné que les résonateurs RF ont des électrodes externes, ils ne sont pas sujets à ces problèmes.Les lasers CO2 sont utilisés pour la découpe industrielle de nombreux matériaux, notamment le titane, l'acier inoxydable, l'acier doux, l'aluminium, le plastique, le bois, le bois d'ingénierie, la cire, les tissus et le papier.Les lasers YAG sont principalement utilisés pour couper et tracer les métaux et la céramique.[12]

En plus de la source d'alimentation, le type de débit de gaz peut également affecter les performances.Les variantes courantes des lasers CO2 comprennent le flux axial rapide, le flux axial lent, le flux transversal et la dalle.Dans un résonateur à flux axial rapide, le mélange de dioxyde de carbone, d'hélium et d'azote est mis en circulation à grande vitesse par une turbine ou une soufflante.Les lasers à flux transversal font circuler le mélange gazeux à une vitesse inférieure, nécessitant une soufflante plus simple.Les résonateurs refroidis par dalle ou par diffusion ont un champ de gaz statique qui ne nécessite ni pressurisation ni verrerie, ce qui permet de réaliser des économies sur le remplacement des turbines et de la verrerie.

Le générateur laser et l'optique externe (y compris la lentille de mise au point) nécessitent un refroidissement.Selon la taille et la configuration du système, la chaleur résiduelle peut être transférée par un liquide de refroidissement ou directement dans l'air.L'eau est un liquide de refroidissement couramment utilisé, qui circule généralement dans un refroidisseur ou un système de transfert de chaleur.

Le microjet laser est un laser guidé par jet d'eau dans lequel un faisceau laser pulsé est couplé à un jet d'eau à basse pression.Ceci est utilisé pour effectuer des fonctions de découpe laser tout en utilisant le jet d'eau pour guider le faisceau laser, un peu comme une fibre optique, à travers une réflexion interne totale.Les avantages de ceci sont que l'eau élimine également les débris et refroidit le matériau.Les avantages supplémentaires par rapport à la découpe laser "à sec" traditionnelle sont les vitesses de découpe élevées, le trait de coupe parallèle et la découpe omnidirectionnelle.[13]

Les lasers à fibre sont un type de laser à solide qui se développe rapidement dans l'industrie de la découpe des métaux.Contrairement au CO2, la technologie Fibre utilise un milieu de gain solide, par opposition à un gaz ou un liquide.Le "laser germe" produit le faisceau laser et est ensuite amplifié dans une fibre de verre.Avec une longueur d'onde de seulement 1064 nanomètres, les lasers à fibre produisent une taille de spot extrêmement petite (jusqu'à 100 fois plus petite par rapport au CO2), ce qui le rend idéal pour couper des matériaux métalliques réfléchissants.C'est l'un des principaux avantages de la fibre par rapport au CO2.[14]

Les avantages du découpeur laser à fibre incluent : -

Délais de traitement rapides.
Réduction de la consommation d'énergie et des factures - grâce à une plus grande efficacité.
Fiabilité et performances accrues - aucune optique à régler ou à aligner et aucune lampe à remplacer.
Entretien minimal.
La capacité de traiter des matériaux hautement réfléchissants tels que le cuivre et le laiton
Productivité accrue – des coûts d'exploitation réduits offrent un meilleur retour sur investissement.[15]

Méthodes
Il existe de nombreuses méthodes différentes de découpe au laser, avec différents types utilisés pour découper différents matériaux.Certaines des méthodes sont la vaporisation, la fusion et le soufflage, le soufflage et la combustion par fusion, la fissuration sous contrainte thermique, le traçage, la découpe à froid et la découpe au laser stabilisée par combustion.

Découpe par vaporisation
Lors de la coupe par vaporisation, le faisceau focalisé chauffe la surface du matériau jusqu'au point d'éclair et génère un trou de serrure.Le trou de la serrure conduit à une augmentation soudaine de l'absorptivité approfondissant rapidement le trou.Au fur et à mesure que le trou s'approfondit et que le matériau bout, la vapeur générée érode les parois fondues en soufflant et en agrandissant davantage le trou.Les matériaux non fondants tels que le bois, le carbone et les plastiques thermodurcissables sont généralement coupés par cette méthode.
Fondre et souffler
La coupe par fusion et soufflage ou par fusion utilise un gaz à haute pression pour souffler le matériau fondu de la zone de coupe, ce qui réduit considérablement la puissance requise.Tout d'abord, le matériau est chauffé jusqu'au point de fusion, puis un jet de gaz souffle le matériau fondu hors du trait de scie, évitant ainsi d'avoir à augmenter davantage la température du matériau.Les matériaux coupés avec ce procédé sont généralement des métaux.

Fissuration sous contrainte thermique
Les matériaux fragiles sont particulièrement sensibles à la fracture thermique, une caractéristique exploitée dans la fissuration sous contrainte thermique.Un faisceau est focalisé sur la surface provoquant un échauffement localisé et une dilatation thermique.Il en résulte une fissure qui peut ensuite être guidée en déplaçant la poutre.La fissure peut être déplacée en m/s.Il est généralement utilisé dans la découpe du verre.

Découpage furtif de tranches de silicium
Informations complémentaires: découpage en dés de wafer
La séparation des puces microélectroniques telles que préparées dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs à partir de tranches de silicium peut être effectuée par le procédé dit de découpage en dés furtif, qui fonctionne avec un laser Nd:YAG pulsé, dont la longueur d'onde (1064 nm) est bien adaptée à l'électronique. bande interdite du silicium (1,11 eV ou 1117 nm).

Coupe réactive
Egalement appelé "coupage au gaz laser stabilisé par combustion", "oxycoupage".La découpe réactive ressemble à la découpe au chalumeau à oxygène, mais avec un faisceau laser comme source d'allumage.Principalement utilisé pour couper l'acier au carbone dans des épaisseurs supérieures à 1 mm.Ce processus peut être utilisé pour couper des plaques d'acier très épaisses avec une puissance laser relativement faible.

Tolérances et état de surface
Les découpeuses laser ont une précision de positionnement de 10 micromètres et une répétabilité de 5 micromètres. [citation nécessaire]

La rugosité standard Rz augmente avec l'épaisseur de la tôle, mais diminue avec la puissance du laser et la vitesse de coupe.Lors de la découpe d'acier à faible teneur en carbone avec une puissance laser de 800 W, la rugosité standard Rz est de 10 μm pour une épaisseur de tôle de 1 mm, 20 μm pour 3 mm et 25 μm pour 6 mm.

{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
Où : {\displaystyle S=}S= épaisseur de la tôle d'acier en mm ;{\displaystyle P=}P= puissance laser en kW (certaines nouvelles découpeuses laser ont une puissance laser de 4 kW) ;{\displaystyle V=}V= vitesse de coupe en mètres par minute.[16]

Ce processus est capable de maintenir des tolérances assez étroites, souvent à moins de 0,001 pouce (0,025 mm).La géométrie des pièces et la solidité mécanique de la machine ont beaucoup à voir avec les capacités de tolérance.La finition de surface typique résultant de la découpe au faisceau laser peut varier de 125 à 250 micro-pouces (0,003 mm à 0,006 mm).[11]

Configurations de machines

Laser à optique volante à double palette

Tête laser à optique volante
Il existe généralement trois configurations différentes de machines de découpe laser industrielles : les systèmes à matériaux mobiles, hybrides et optiques volantes.Ceux-ci font référence à la manière dont le faisceau laser est déplacé sur le matériau à couper ou à traiter.Pour tous ces axes, les axes de mouvement sont généralement désignés axes X et Y.Si la tête de coupe peut être commandée, elle est désignée comme l'axe Z.

Les lasers à matériau mobile ont une tête de coupe fixe et déplacent le matériau en dessous.Cette méthode fournit une distance constante entre le générateur laser et la pièce à usiner et un point unique à partir duquel éliminer les effluents de coupe.Il nécessite moins d'optiques, mais nécessite de déplacer la pièce.Ce style de machine a tendance à avoir le moins d'optiques de livraison de faisceau, mais a également tendance à être le plus lent.

Les lasers hybrides fournissent une table qui se déplace dans un axe (généralement l'axe X) et déplace la tête le long de l'axe le plus court (Y).Cela se traduit par une longueur de trajet de livraison de faisceau plus constante qu'une machine optique volante et peut permettre un système de livraison de faisceau plus simple.Cela peut entraîner une perte de puissance réduite dans le système de livraison et une plus grande capacité par watt que les machines à optique volante.

Les lasers à optique volante comportent une table fixe et une tête de coupe (avec faisceau laser) qui se déplace sur la pièce dans les deux dimensions horizontales.Les fraises à optique volante maintiennent la pièce immobile pendant le traitement et ne nécessitent souvent pas de serrage du matériau.La masse en mouvement est constante, de sorte que la dynamique n'est pas affectée par la taille variable de la pièce.Les machines à optique volante sont les plus rapides, ce qui est avantageux lors de la coupe de pièces plus fines.[17]

Les machines optiques volantes doivent utiliser une méthode pour prendre en compte le changement de longueur du faisceau de la coupe en champ proche (proche du résonateur) à la coupe en champ lointain (loin du résonateur).Les méthodes courantes pour contrôler cela incluent la collimation, l'optique adaptative ou l'utilisation d'un axe de longueur de faisceau constant.

Les machines à cinq et six axes permettent également de couper des pièces formées.De plus, il existe diverses méthodes pour orienter le faisceau laser vers une pièce façonnée, maintenir une distance de mise au point et un écartement de buse appropriés, etc.

Pulsation
Les lasers pulsés qui fournissent une rafale d'énergie à haute puissance pendant une courte période sont très efficaces dans certains processus de découpe au laser, en particulier pour le perçage, ou lorsque de très petits trous ou des vitesses de coupe très faibles sont nécessaires, car si un faisceau laser constant était utilisé, la chaleur pourrait atteindre le point de faire fondre toute la pièce à couper.

La plupart des lasers industriels ont la capacité d'émettre des impulsions ou de couper CW (onde continue) sous le contrôle du programme NC (contrôle numérique).

Les lasers à double impulsion utilisent une série de paires d'impulsions pour améliorer le taux d'enlèvement de matière et la qualité des trous.Essentiellement, la première impulsion enlève le matériau de la surface et la seconde empêche l'éjecta d'adhérer au côté du trou ou de la coupe.[18]