Qu'est-ce que la découpe laser ? - Travail, types et application

La découpe au laser est une méthode de traitement non traditionnelle qui utilise un flux de lumière cohérente intensément focalisé appelé laser pour découper le matériau. Il s'agit d'un processus soustractif dans lequel le matériau est continuellement retiré pendant le processus de coupe. Ceci est accompli par vaporisation, fusion, ablation chimique ou propagation contrôlée des fissures.

L'optique laser est contrôlée numériquement par CNC (Computer Numerical Control), ce qui rend le processus adapté au perçage de trous aussi petits que 5 microns. De plus, le processus ne crée pas de contraintes résiduelles dans le matériau, permettant la découpe de matériaux délicats et fragiles.

Comment fonctionne la découpe laser ?

Une machine de découpe laser fonctionne de la même manière qu'une machine CNC, mais elle utilise un laser haute puissance. Le laser guidera le matériau ou le faisceau à travers la CNC et l'équipement optique. La machine utilisera la CNC, ou le code G fourni, pour couper le matériau et contrôler le mouvement.

Une fois le faisceau laser focalisé, le matériau fondra, se vaporisera et brûlera. De plus, lorsque vous soufflez le matériau avec un jet de gaz, vous pouvez obtenir une surface de bord finie de haute qualité. La génération du faisceau laser a lieu dans un conteneur fermé, où une lampe ou une décharge électrique stimule le matériau luminescent.

L'amplification du matériau luminescent se produit après réflexion interne à travers un miroir partiel. Ce phénomène se poursuit jusqu'à ce que suffisamment d'énergie se soit accumulée dans un flux lumineux monochromatique cohérent pour lui permettre de s'échapper. L'intensité de la lumière augmente après avoir été focalisée sur la zone de travail à l'aide d'une fibre ou d'un miroir.

Le diamètre du faisceau laser est inférieur à 0,32 mm à son bord le plus fin. Inversement, la largeur de l'incision peut potentiellement être aussi petite que 0,10 mm. Cependant, cela dépend de l'épaisseur du matériau. Si le matériau est découpé avec un cutter laser sans partir du bord du matériau, un processus de perforation est utilisé.

Types de découpe laser

Pour la découpe, il existe trois principaux types de lasers. Il s'agit des lasers CO2, Nd-YAG (grenat néodyme yttrium aluminium) et à fibre. Ils diffèrent par le matériau de base utilisé pour générer le faisceau laser.

Lasers à dioxyde de carbone

Ce type de laser a un milieu de décharge gazeux rempli de 10 à 20 % de dioxyde de carbone, de 10 à 20 % d'azote, de traces d'hydrogène et de xénon et d'hélium. Le pompage laser ne se fait pas par la lumière mais par le courant de décharge.

Lorsque la décharge traverse le milieu d'éclairage, les molécules d'azote sont excitées à un niveau d'énergie plus élevé. Contrairement à ce qui a été décrit précédemment, ces molécules d'azote excitées ne perdent pas d'énergie en raison de l'émission de photons.

Au lieu de cela, il transfère l'énergie de ses modes vibrationnels aux molécules de CO2. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que la plupart des molécules de CO2 soient dans un état transférable. Les molécules de dioxyde de carbone émettent alors une lumière infrarouge à 10,6 µm ou 9,6 µm, les ramenant à un niveau d'énergie inférieur.

Les miroirs résonnants sont conçus pour réfléchir les photons émis à ces longueurs d'onde. Un miroir est un réflecteur partiel qui permet de dégager le faisceau infrarouge utilisé pour découper la matière.

Après avoir libéré la lumière infrarouge, la molécule de CO2 revient à l'état fondamental en transférant son énergie restante aux atomes d'hélium dopés. Les atomes d'hélium froids deviennent alors très chauds et sont refroidis par le système de refroidissement du laser. Les lasers CO2 ont une efficacité d'environ 30 %, supérieure à celle des autres lasers.

Lasers à cristal (rubis, Nd et Nd-YAG)

Contrairement aux lasers CO2, ce type de laser est un laser à l'état solide qui utilise des cristaux synthétiques comme milieu émettant de la lumière. Le plus courant est un cristal YAG (Y3Al5O12) dopé à 1 % de néodyme ionisé (Nd3+).

Les ions Nd dans ce cristal remplacent les ions Y dans la structure cristalline. Les tiges mesurent environ 10 cm de long et 6 à 9 cm de diamètre. Les extrémités des tiges YAG sont polies et recouvertes d'un matériau hautement réfléchissant qui sert de système de résonateur.

Un flash krypton ou une diode laser réalise le pompage laser. Ce pompage laser excite les ions néodyme à des niveaux d'énergie plus élevés. Après un certain temps, les ions néodyme excités entrent dans un état plus bas et plus stable sans émettre de photons. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que le milieu soit rempli d'ions Nd excités. De son état dégradé, l'ion Nd émet une lumière infrarouge à une longueur d'onde de 1064 nm.

Lasers à fibre

Les lasers à fibre sont une nouvelle forme de laser qui émet de la lumière à l'aide de fibres optiques plutôt que de gaz (lasers CO2) ou de cristaux (lasers Nd-YAG). Parce qu'ils utilisent des fibres optiques, les lasers à fibre sont des lasers à semi-conducteurs qui fonctionnent de la même manière que les lasers à cristal.

La fibre optique est dopée avec des éléments tels que l'erbium et l'ytterbium. L'erbium produit de la lumière dans la gamme de 1528 à 1620 nm. D'autre part, l'ytterbium produit de la lumière à 1030 nm, 1064 nm et 1080 nm.

On sait que lorsque la lumière traverse une fibre optique, elle reste à l'intérieur avec une perte d'énergie minimale. Cela rend les fibres optiques plus stables que les autres types nécessitant un alignement précis.

Avantages de la machine de découpe laser

Haute précision et exactitude

Les lasers utilisent un faisceau de lumière focalisé pour couper des objets avec une extrême précision. Le laser est puissant et minuscule, mais il fond et évapore la matière avec une précision inégalée. La plupart du temps, les tolérances laser vont de 0,003 mm à 0,006 mm.

Les découpeurs plasma ont un niveau de tolérance d'environ 0,02 mm, ce qui est supérieur à la découpe laser. De même, d'autres outils de coupe ont des tolérances comprises entre 1 et 3 mm, voire plus. Supposons qu'une machine de haute précision et précision soit requise dans le processus de fabrication.

Dans ce cas, l'outil préféré est généralement une découpeuse laser. Par conséquent, l'industrie aérospatiale utilise la découpe laser, qui nécessite des niveaux de tolérance serrés.

Moins cher et plus abordable

La découpe laser présente un avantage économique par rapport aux autres machines CNC du même calibre, ce qui est l'un des avantages de la technologie laser. Les outils personnalisés ne sont plus nécessaires grâce à la technologie de découpe laser. Vous n'avez pas non plus besoin de modifier l'équipement pour n'importe quel projet car aucun outil de coupe supplémentaire n'est nécessaire.

De plus, il n'y a pas de contact physique, il n'y a donc pas d'usure sur la surface. Parce que les machines de découpe laser ont peu de pièces mécaniques, elles sont moins chères à entretenir que les autres technologies de traitement. Le coût de fonctionnement de la machine sera également inférieur à celui des outils de fabrication traditionnels.

Pour les travaux d'une extrême complexité

De nombreuses tâches qui peuvent être trop complexes pour d'autres technologies de découpe deviendront simples pour les machines de découpe laser; la technologie laser peut travailler sur les bords les plus fins du matériau. Bien que la zone de coupe puisse être légèrement déformée ou tordue, vous pouvez produire rapidement des géométries complexes avec un découpeur laser. La découpe laser a un large niveau de tolérance et peut s'adapter à divers matériaux.

Utilisation élevée des feuilles et moins de déchets

Lorsque vous coupez du matériau avec un cutter laser, seule une très petite quantité de matériau est gaspillée. Cela permet à la découpe laser de se démarquer des autres machines avec une part importante de matière. Avec un découpeur laser, les fabricants peuvent maximiser l'utilisation du matériau. Comme les ressources sont utilisées plus efficacement, moins de matériaux sont gaspillés et les coûts de production sont réduits.

Prévention des dommages

Un autre avantage de la découpe au laser est d'éviter les dommages, même sur les matériaux les plus étroits. Beaucoup de gens ont tendance à croire à la désinformation sur la machine, croyant que la distorsion ou l'endommagement du matériau est inévitable.

Cette croyance populaire présuppose qu'une chaleur élevée est utilisée dans le processus de découpe au laser. Vous devez noter que la chaleur n'affecte qu'une petite surface de matériau et n'affecte pas les tolérances. La découpe au laser des feuilles est incroyablement rapide, de sorte que le temps nécessaire à la découpe est moindre. En conséquence, les fabricants peuvent facilement éviter le gauchissement et la distorsion.

Faible consommation d'énergie

Cela aiderait si vous aviez beaucoup de pouvoir pour réaliser une coupe dans la vraie vie. Cependant, les machines de découpe laser n'ont pas d'autres pièces mobiles, ce qui réduit la consommation d'énergie. En revanche, les machines avec des pièces mobiles ont tendance à consommer plus d'énergie. De plus, les découpeuses laser coupent le matériau en un temps très rapide. Cela permet d'économiser du temps et de l'énergie. Lorsque moins d'énergie est consommée, le coût de fonctionnement est également réduit.

Compatibilité avec une variété de matériaux

Il est intéressant de noter que cette machine peut travailler sur divers matériaux. Outre la découpe de matériaux, la découpe au laser aide également à d'autres processus tels que le marquage, le perçage et la gravure. Il convient de noter que vous n'avez pas besoin de changer d'outil pour effectuer tous ces différents travaux.

La découpe laser ne se limite pas à la découpe du métal. Les autres matériaux de découpe laser comprennent le bois, l'aluminium, le plastique, le cuivre et le laiton. La découpe au laser est un processus polyvalent car il peut facilement couper presque tous les types de matériaux.

Inconvénients de la machine de découpe laser

Bien que la découpe au laser présente de nombreux avantages, elle présente également certains inconvénients dont vous devez être conscient. Nous en discuterons ci-dessous.

La découpe au laser des plastiques produit des fumées toxiques et nécessite une ventilation, ce qui peut être une tâche coûteuse.

L'efficacité de la découpe au laser dépend également de l'épaisseur de la pièce, du matériau à découper et du type de laser utilisé. Sans soins appropriés, le matériau coupé peut être brûlé et certains métaux peuvent se décolorer à moins que la bonne intensité laser ne soit utilisée. Bien que la découpe plasma puisse toujours couper des feuilles plus épaisses que la découpe laser, les progrès de la technologie laser signifient que cet écart se comble, bien que les coûts des machines soient encore élevés.

Enfin, bien qu'il s'agisse d'un processus automatisé, la mise en service et la maintenance nécessitent une intervention humaine, et il existe un risque de brûlures graves si l'opérateur entre en contact avec le laser.

Application de la découpe laser

Comme indiqué précédemment, la découpe laser est un secteur passionnant qui est en constante évolution.

Voici quelques-unes des utilisations les plus répandues de la découpe laser de nos jours.

Industrie automobile

La découpe au laser a trouvé sa place dans l'industrie automobile en raison de sa capacité à reproduire des pièces avec une vitesse et une précision relatives. La reproduction précise de pièces de différentes formes et tailles est essentielle dans le secteur automobile. La découpe au laser est utilisée pour couper les métaux et les plastiques afin de former des pièces de carrosserie, des composants électroniques, des revêtements intérieurs et des boutons pour les automobiles.

De plus, les machines de découpe laser peuvent graver des boutons sur les intérieurs automobiles pour laisser passer la lumière et enregistrer les numéros de série et de pièce sur les pièces fabriquées. Les moules utilisés pour découper différentes pièces peuvent également être découpés au laser.

La découpe laser convient à la découpe de pièces hydroformées. Ce sont généralement des tubes robustes qui offrent un support pour la construction du véhicule. Généralement, ces pièces sont utilisées pour créer des cadres de moteur ou des tableaux de bord.

Industrie des moules et de l'outillage

Comme indiqué précédemment, la découpe au laser peut être utilisée pour fabriquer des moules pour des pièces en double. En utilisant la capacité du laser à couper différentes profondeurs dans le métal, des moules extrêmement précis peuvent être créés pour des pièces embouties qui peuvent être utilisées de manière cohérente grâce à un processus de découpe répétitif.

La duplication de moules avec découpe au laser est également un processus rapide et précis.

Les moules à injection peuvent être fabriqués avec la même précision que les moules utilisant la découpe au laser.

Cela simplifie le processus de fabrication de moules et rend la reproduction précise des moules beaucoup plus rapide et plus coûteuse.

Dans la fabrication d'outils, les découpeuses laser peuvent être utilisées pour le marquage et la gravure dans l'industrie automobile et pour la fabrication d'outils à main simples. La vitesse des découpeuses au laser peut même les rendre meilleures que la découpe de métaux solides. En raison de la polyvalence de ses utilisations de matériaux, vous pouvez même graver au laser des logos d'entreprise et des informations sur les outils sur les poignées en caoutchouc de la plupart des outils.

Industrie de la bijouterie

La précision de la découpe au laser facilite son utilisation dans les processus de fabrication de bijoux. Par exemple, imaginez une montre avec de nombreux petits engrenages. Les lasers sont découpés avec précision pour fabriquer des engrenages avec moins de déchets et de temps de production. De plus, les capacités de gravure du laser permettent de marquer les pièces pendant le processus de fabrication.

Parce que les lasers peuvent découper des formes et des épaisseurs précises, la découpe au laser peut également être utilisée pour fabriquer des bijoux. La création d'une bague ou d'un bracelet d'une largeur, d'une profondeur et d'un diamètre précis peut être facilement réalisée avec un laser. Les lasers peuvent également graver des motifs et des inscriptions sur des surfaces intérieures ou extérieures.

Fabrication de dispositifs médicaux

Les avantages les plus importants de la découpe au laser dans l'industrie médicale sont la chirurgie au laser et la fabrication de produits médicaux.

La chirurgie au laser permet aux chirurgiens de faire des coupes précises et les patients guérissent plus rapidement. Les pièces découpées au laser sont utilisées pour fabriquer des dispositifs médicaux qui améliorent la qualité de vie des patients. Par exemple, les stents, les cadres valvulaires, les clips vasculaires, les charnières osseuses, les tiges flexibles et les alésoirs sont tous fabriqués à partir de pièces découpées au laser.

Fabrication de céramique

Les céramiques ont diverses qualités qui permettent aux ingénieurs de les utiliser dans diverses applications. Leur faible conductivité électrique et thermique en font d'excellents isolants. Ils ne réagissent pas avec d'autres produits chimiques, ont un point de fusion élevé et sont extrêmement durables.

Les lasers sont souvent utilisés pour couper la céramique car ils réduisent le temps de traitement sans sacrifier la qualité des bords. Les moteurs à réaction d'avion, les moteurs électriques, les haut-parleurs, les écouteurs, les générateurs de centrale électrique, les cuiseurs à riz et même les lampes à incandescence ont des pièces en céramique.

Fabrication de silicium

Un autre matériau qui peut bénéficier de la découpe au laser est le silicium, qui a de nombreuses applications. La découpe de précision permet aux ingénieurs de produire des pièces en silicium plus petites que celles fabriquées à l'aide d'autres méthodes de découpe.

Le silicium résiste aux températures élevées et au vieillissement, et il est facile à travailler. Les applications typiques du silicium se trouvent dans les ordinateurs, l'électronique, les textiles, les produits ménagers, les automobiles et la construction.

Conclusion

L'introduction de la découpe au laser a apporté des avantages précieux à l'industrie manufacturière. La machine permet de couper de nombreux matériaux en une seule période, ce qui permet de gagner du temps et de réduire les coûts d'exploitation. Comprendre les avantages et les inconvénients de la découpe laser vous aidera à faire le meilleur choix pour votre projet.