La découpe au laser s'intensifie

Non seulement les lasers à fibre pour les applications de découpe dominent le marché, mais leur qualité s'améliore. L'augmentation de la puissance, de la vitesse et des capacités du laser permet de nouvelles applications.

La mise en œuvre d'un système de découpe laser complet n'est pas une tâche pour les âmes sensibles. En plus des dépenses financières, les exigences incluent la planification d'un système complet, pas seulement le laser, selon Dustin Diehl, chef de produit de la division laser, Amada America Inc., Buena Park, Californie. Il y a aussi l'emplacement de l'installation et l'acquisition du laser. l'unité et l'équipement, y compris les chargeurs, les déchargeurs, les refroidisseurs et les commandes. Enfin, le système doit être intégré dans les boucles globales de rapport et de rétroaction. Le résultat est un système capable de générer un retour sur investissement substantiel en un temps étonnamment court.

Bien que les lasers CO2, qui représentaient la phase de formation de la découpe laser, aient été éclipsés par les nouveaux lasers à fibre, ils ont toujours une place sur le marché. Jeff Tyl, directeur des ventes nord-américain-fabrication chez Murata Machinery USA Inc., Charlotte, N.C., a expliqué :« Les lasers CO2 modernes sont généralement utilisés pour couper des stocks de plus de 1″ et peuvent fournir une coupe nette. De plus, ils ne sont pas limités par la taille de la table. Ils sont toujours un facteur important dans des industries critiques telles que la construction navale et la défense, mais le laser à fibre est clairement le choix le plus populaire pour les applications de tôlerie conventionnelles. »

Alors que la plupart des lasers à fibre vendus aujourd'hui se situent dans la plage de 1 à 6 kW, les configurations de puissance supérieure font des percées dans certaines applications et continueront de croître sur le marché. Brendon DiVincenzo, chef de produit pour les lasers et l'automatisation chez Bystronic Inc., Elgin, Illinois, a commenté :« Les centres de service de l'acier ont accueilli favorablement l'avènement d'unités plus puissantes qui ont actuellement une capacité de fonctionnement dans la plage de 10 à 12 kW. À mesure que les vitesses augmenteront, nous verrons une plus grande demande. »

Les lasers à fibre d'aujourd'hui font généralement partie d'un système de traitement complet, comme l'a noté Diehl d'Amada. « Le laser ne peut pas être considéré comme une unité autonome. Cela doit faire partie d'un système », a-t-il déclaré. « Nous travaillons avec nos clients pour « faire les devoirs » afin de fournir un ensemble dans lequel tous les modules (chargement, déchargement et l'unité elle-même) sont conçus ensemble. La puissance fait partie de l'équation, mais selon l'application, l'ensemble du système doit être pris en compte."

Les lasers à fibre doivent également être polyvalents, capables de traiter différents types de matériaux. Par exemple, la série ENSIS d'Amada utilise une technologie laser à fibre exclusive pour traiter des matériaux minces et épais sans changement de lentille de coupe ni configuration manuelle. Le moteur à fibre de 3 kW intègre la technologie ENSIS d'Amada, qui optimise le mode laser et le produit des paramètres du faisceau (BPP) en fonction de l'épaisseur du matériau traité. La série ENSIS est capable de couper à grande vitesse des matériaux fins, une capacité clé de la technologie des fibres, et peut traiter efficacement les tôles épaisses, selon Amada America.

Les améliorations de la technologie de coupe sont un facteur important dans la popularité croissante des lasers à fibre. "Les premières unités de fibre avaient des problèmes avec les bords irréguliers", a déclaré Mark Bronski, responsable des ventes pour les lasers chez Trumpf Inc. à Farmington, dans le Connecticut. "La puissance et les améliorations supplémentaires ont permis d'obtenir une finition comparable au CO2 dans Plaque de 5/8 à 3/4″ [15,9-19,05 mm].”

Hank White, responsable des systèmes logiciels chez MC Machinery Systems Inc. à Elk Grove Village, Illinois, a noté que les clients sont sélectifs en matière de puissance laser. « Bien que nous assistions à une croissance du marché des systèmes de 8 kW, les clients sont extrêmement prudents dans la détermination des besoins en puissance pour leur application individuelle. Si des unités moins puissantes peuvent faire le travail, elles resteront dans cette catégorie car les unités plus grandes coûtent plus cher à l'achat et à l'exploitation, et dans de nombreux cas, elles ne peuvent pas aller plus vite. »

Coupe de spécialité

La découpe au laser à plus haute puissance fait des percées significatives dans des domaines plus spécialisés. Celles-ci incluent les applications 3D, la fabrication de trous et le traitement des bobines et des tubes. Mark Barry, vice-président des ventes et du marketing chez Prima Power Laserdyne LLC, Champlin, Minn., a commenté :« dans la découpe bidimensionnelle, l'industrie constate une demande accrue de 6 kW, mais lorsqu'il s'agit de haute précision dans des applications telles que forant des trous de refroidissement dans les moteurs à turbine, les lasers QCW (Quasi Continuous Wave) de puissance plus élevée offrent le niveau de précision requis. »

Robert Adelman, responsable nord-américain des produits laser chez BLM Group USA, Novi, Michigan, a noté que, dans les applications de découpe de tubes, les besoins en puissance sont passés de 3 kW à 5 kW. "Les lasers à fibre percent tous plus rapidement et coupent plus rapidement, bien que nous n'utilisions pas les puissances de sortie typiques dans le monde des tôles plates car il y a toujours l'autre côté du tube à considérer", a-t-il déclaré. « Cela est vrai aussi bien sur les machines 2D conventionnelles que sur les unités 3D jusqu'à 45°. Selon la machine, les diamètres vont de 1/2 à 24″ [12,7-610 mm] OD, et les machines plus grandes peuvent également percer et tarauder. »

LaserCoil Technologies LLC, de Napoleon, Ohio, achète des lasers à intégrer dans les opérations de découpage de bobines. Jay Finn, GM et CTO, a déclaré :« nous montons en puissance lorsque nous sommes à l'aise avec l'optique. Nous utilisons actuellement un laser de 8 kW pour les systèmes qui traitent des matériaux de 0,5 à 35 mm tout en produisant le bord souhaité. La plupart de nos systèmes comportent plusieurs têtes et comprennent des systèmes de manutention complets. »

Automatisation combinée avec des lasers

Avec les lasers à fibre, l'automatisation est une réalité. Il est possible pour un petit magasin de démarrer avec un simple système de chargement. Avant longtemps, cependant, la prise de conscience frappe que plus de composants sont nécessaires pour atteindre son plein potentiel. Il devient alors évident qu'une bonne dose de planification et d'engagement est nécessaire.

L'espace est l'une des principales considérations. Les lasers ont besoin d'une zone dédiée raisonnablement exempte de contaminants et suffisamment grande pour permettre tout ajout d'équipement d'automate supplémentaire. Diehl d'Amada a noté qu'il est sage «d'estimer les dollars par pied carré. Avant d'entrer, familiarisez-vous avec les différents systèmes modulaires afin de comprendre le déroulement de l'installation. Nous vendons rarement des lasers autonomes. Les systèmes que nous fournissons sont orientés à la fois vers l'expansion et la flexibilité. Compte tenu des cadences de production, le premier défi est la gestion du flux de pièces sortant de la machine. »

DiVincenzo de Bystronic a accepté. "L'automatisation est un facteur important pour les grands équipementiers et les petits ateliers, même s'ils diffèrent par leurs besoins en matière de processus", a-t-il déclaré. "Par exemple, un centre de service d'acier est principalement concerné par la quantité, en termes de" tonnes sur le lit laser ", tandis qu'un atelier recherche la vitesse et un flux de matériaux efficace." La variété des composants a permis aux utilisateurs de développer des stratégies d'automatisation individuelles qui leur conviennent.

Tyl de Murata Machinery a noté :« Nous vendons globalement trois variétés de systèmes. Le chargeur de palettes, une tour à quatre ou huit tiroirs et un système de tri de pièces. La tour approvisionne le stock et le système de tri de pièces fait avancer les pièces coupées vers la station suivante. À l'avenir, nous voyons les lasers hybrides à fonctions multiples gagner en popularité. » Les petits magasins pourraient être limités par les coûts. "Les magasins utilisant divers matériaux peuvent entrer dans le jeu en programmant un seul chargeur de palettes", a déclaré Tyl. "Au fur et à mesure que leur activité augmente, l'automatisation devient irrésistible grâce au retour sur investissement rapide."

Comme l'automatisation de la découpe entraîne une augmentation de la production, une automatisation supplémentaire est nécessaire. "Le traitement en aval est la prochaine frontière, y compris le nettoyage et le formage des bords", a déclaré White de MC Machinery Systems. La clé du succès réside dans le développement d'un logiciel capable de regrouper des modules de différents fabricants dans le cadre d'un programme unifié. »

Les nombreuses formes et configurations différentes des tubes nécessitent une approche plus spécialisée. "Traditionnellement, les machines n'étaient pas capables de charger des formes personnalisées dans des lasers à tubes", a expliqué Adelman de BLM Group USA. "Aujourd'hui, les lasers à tube peuvent charger automatiquement une forme spéciale comme" cacahuète ". À l'aide de caméras spécialisées, la machine peut détecter l'orientation du tube pour assurer un serrage correct, ainsi qu'une orientation correcte de la pièce. »

"La flexibilité est essentielle dans le traitement des bobines", a expliqué Finn de Laser-Coil. "Chaque système que nous vendons fonctionne en mode continu et indexé et peut s'interfacer avec tout type d'empilement. De plus, nous avons conçu nos modules pour qu'ils présentent le même encombrement que les anciens équipements de découpage mécanique afin de faciliter le processus de mise à jour. »

Barry de Prima Power Laserdyne l'a résumé :« Si vous allez avoir une découpe au laser, vous allez avoir une automatisation. Le laser n'est pas un élément discret, c'est un composant."

Contrôles, automatisation et opérateurs

Soutenir la tendance vers des systèmes de découpe laser automatisés est une variété de contrôles sophistiqués qui doivent être intégrés. « Le paradigme de contrôle idéal implique une intégration transparente aux systèmes ERP, éliminant ainsi le gaspillage dans les processus administratifs. La clé du succès est une surveillance constante totale, ainsi que des alertes de maintenance. L'objectif est zéro temps d'arrêt imprévu », a déclaré Bronski de Trumpf.

Les systèmes d'automatisation modernes ont considérablement amélioré le statut de l'opérateur. Ceci est particulièrement visible dans l'évolution des contrôles dans les systèmes intégrés. Diehl d'Amada America a déclaré :« Il y a vingt ans, la commande d'un système laser était aussi complexe qu'un cockpit d'avion. Maintenant, cela ressemble plus à un iPad, offrant une interface à écran tactile et de meilleurs graphismes. Les systèmes ont une meilleure fonction d'édition et une rétroaction considérablement améliorée. L'opérateur peut surveiller à distance les problèmes de service, l'historique des services et l'état des alarmes passées ou actuelles. »

DiVincenzo de Bystronic a noté une demande accrue des clients pour des commandes standardisées. "Les clients exigent des commandes compatibles qui peuvent s'interfacer non seulement avec le système de découpe laser, mais avec d'autres machines et systèmes ERP, traitant les ordres de travail et acheminant les données et les pièces vers l'opération suivante." White a accepté et a noté :"En ce qui concerne le processeur, différents constructeurs ont tous leur propre 'sauce secrète'. Néanmoins, la normalisation arrive, mais avec elle, la sécurité est essentielle."

Les commandes et les logiciels ont fait une énorme différence dans le traitement des bobines. Les systèmes logiciels peuvent calculer un nid en fonction du modèle de coupe optimal pour une largeur de bobine particulière, ainsi que déterminer la largeur de bobine qui offrira le meilleur rendement. Finn a expliqué:«Le nid final dépend du processus d'alimentation de la bobine. Le bord d'attaque doit correspondre au bord d'arrivée. Pour faciliter l'adoption, nous avons développé un logiciel pour automatiser l'imbrication et l'optimisation du chemin de coupe. Cela le rend moins intimidant lors de l'introduction de lasers dans votre opération. »

Les systèmes de contrôle et de logiciel ont également créé des avancées considérables dans la manipulation du laser. « Il y a eu une énorme amélioration du temps de changement pour les pièces conventionnelles et complexes. Nous pouvons désormais modifier la puissance impulsion par impulsion avec un temps de réponse dépassant littéralement les millisecondes », a déclaré Barry de Prima Power Laserdyne. « Cela nous a permis d'acquérir une immense flexibilité dans les opérations polyvalentes. Par exemple, nous sommes capables non seulement de produire n'importe quelle forme de trou à n'importe quel angle, mais aussi de passer du perçage au soudage. En ajustant la puissance et la pulsation, nous sommes également en mesure de gérer de nouveaux matériaux, notamment le composite à matrice de carbone (CMC)."

Les commandes ont également une flexibilité avancée dans le traitement des matériaux tubulaires. "Les derniers systèmes intégrés retirent le travail de la machine et l'ont déplacé au stade de la planification de la production", a déclaré Adelman de BLM Group USA. "Désormais, le logiciel d'imbrication peut non seulement imbriquer des pièces dans des travaux, mais également sélectionner les options nécessaires (comme l'orientation des cordons de soudure sur les tubes) pour créer un cycle de production complet, tandis qu'un opérateur novice peut se concentrer sur la gestion du chargement des matériaux et de l'emballage des pièces. Les fonctions de contrôle peuvent créer des calendriers de production et calculer des temps et des coûts de travail précis. Pour garantir que nos clients puissent bénéficier des nombreuses fonctionnalités de contrôle, nous proposons une formation à la fois dans nos installations et sur les sites de nos clients. »

Améliorations de la qualité des lasers à fibre

Grâce à la combinaison des caractéristiques de puissance et de contrôle, les lasers à fibre d'aujourd'hui ont remonté la courbe, en ce qui concerne la qualité. Dans une certaine mesure, cela est dû à l'expérience de l'utilisateur et à la capacité de contrôle dans la définition des paramètres corrects pour des types de matériaux spécifiques. "La technologie d'écoulement, les améliorations dans l'utilisation des diodes et de l'optique, et un plus grand soin dans la définition du mélange de gaz ont tous contribué", selon White de MC Machinery Systems. "Même avec les améliorations apportées à la tête laser, l'équation de coût est toujours présente, et certains utilisateurs estiment qu'il est plus économique d'employer un processus de finition ultérieur que de consacrer l'effort à réguler le laser."

Selon Bronski de Trumpf, deux des facteurs les plus importants du contrôle qualité sont la maintenance préventive et la gestion du matériel. « La complexité des systèmes laser exige un degré élevé de maintenance préventive, et la formation est absolument essentielle. Un autre facteur clé a à voir avec le matériel impliqué dans le processus. Les utilisateurs doivent inspecter ce qu'ils obtiennent pour garantir une qualité élevée, sinon ils perdront en performances."

Diehl d'Amada America a cité l'importance du mélange de gaz. « L'utilisation du bon mélange de gaz peut améliorer la qualité des bords au point d'éliminer les opérations secondaires. Nous constatons la popularité croissante de la production d'azote en interne à l'aide de la filtration, des pompes de surpression et des réservoirs de stockage. Il existe également une tendance à l'inspection des pièces par le biais de systèmes d'imagerie et de vision 3D."

L'équilibre entre la vitesse et la qualité reste une considération primordiale. Au fur et à mesure que les systèmes ont évolué, les efforts pour maintenir la qualité à grande vitesse ont inclus l'utilisation d'entraînements linéaires de haute précision par opposition à la crémaillère et au pignon, et l'incorporation de servomoteurs. L'inspection en temps réel est essentielle dans les opérations de tubes et de bobines. La numérisation peut désormais détecter les torsions dans le stock tubulaire et s'ajuster pour compenser. De même, le stock de bobines peut être inspecté « à la volée » pour assurer un contrôle qualité adéquat. DiVincenzo de Bystronic a résumé l'économie de la qualité :"Il ne s'agit plus du coût de la main-d'œuvre, mais de la rapidité de la main-d'œuvre."

Au fur et à mesure que les améliorations de la technologie de découpe au laser et d'automatisation progressent, les fabricants et autres utilisateurs finaux seront confrontés à une variété de choix qui auront un impact non seulement sur l'opération de découpe mais, dans le cas des équipementiers, sur l'ensemble du processus de fabrication. La vitesse du laser et l'avènement d'une automatisation plus poussée pourraient bien faire pour la fabrication ce que la chaîne de montage a fait pour la production automobile.

L'expérience de l'utilisateur final :Hatco Corp.

Basé à Milwaukee avec des installations de fabrication à Sturgeon Bay, dans le Wisconsin, Hatco Corp. est un fabricant d'équipements de restauration commerciale. Il fabrique des chauffe-plats, des présentoirs alimentaires, des grille-pain et d'autres produits. Les lots de production vont de centaines d'unités à placer dans des restaurants de proximité ou de restauration rapide à un seul réchauffeur spécialement conçu pour une installation particulière. Le mantra de l'entreprise est "Une quantité de commande économique d'un".

Dans la poursuite de cet objectif, la société a continuellement agrandi et mis à jour son usine de fabrication avec les derniers équipements et techniques.

Selon Steve Christoferson, vice-président de la fabrication chez Hatco, « de nombreux fabricants et magasins ont tendance à être centrés sur les pièces et à considérer les pièces individuelles comme une fin en soi. Chez Hatco, nos processus sont axés sur les produits et, parce que nos employés peuvent voir l'ensemble du processus sous un même toit, il y a une conscience constante de maintenir des contrôles d'inventaire stricts et un flux de fabrication efficace. »

L'expérience de Hatco avec les lasers remonte assez loin pour que Christoferson se souvienne que « la vitesse lente des premiers lasers était douloureuse à regarder. Aujourd'hui, grâce à la vitesse et à la qualité, la fibre est l'avenir. »

Actuellement, Hatco utilise quatre lasers Mitsubishi, dont trois au CO2 et le dernier en date un laser à fibre de 4 Kw. Le métal traité comprend plus de 100 tailles et calibres différents, de la plaque au calibre 24 et 28 pouces et comprend l'acier inoxydable et doux ainsi que l'aluminium. Les tolérances peuvent être aussi serrées que 0,0001” (2,54 µm). « Étant donné que de nombreuses pièces que nous fabriquons sont en trois dimensions, nous devons littéralement prendre la pièce et la « déplier » pour obtenir le bon modèle de coupe. Nous utilisons l'imbrication dynamique pour optimiser les rendements des matières premières », a commenté Christoferson.

Les lasers sont situés dans une section dédiée de l'usine. Un FMS Mitsubishi "River" déplace le matériel à l'entrée et à la sortie. "Il a fallu une année complète de travail pour passer au système automatisé que nous voulions", a déclaré Christoferson. « Nous avons opté pour un système de fibre de 4 kW comme étant le plus économique pour nos besoins. Le travail est attribué à chacun des quatre lasers en fonction du type et de l'épaisseur du matériau et de la qualité de la coupe qui peut être obtenue. La zone laser a été conçue pour permettre une expansion future et est située à côté des processus en aval pour l'ébavurage (si nécessaire) et le pliage.

En ce qui concerne la qualité, Christoferson a noté que "chaque opérateur est un inspecteur". Les employés de Hatco sont formés dans de multiples disciplines de fabrication afin de comprendre les complexités du processus et d'être en mesure d'intervenir en cas de problème. Il y a plusieurs années, l'entreprise a été rachetée par les employés, et il y a un "intérêt de propriété" de la part de chacun.

Dave Rolston, président de Hatco, était auparavant responsable de l'ingénierie et peut souvent être vu dans l'atelier de fabrication. "Nous sommes exceptionnellement fiers de la qualité de nos équipements et de l'étendue de l'automatisation que nous avons réalisée dans notre domaine laser", a commenté Rolston. "Mais, en fin de compte, ce sont les compétences et la fierté de nos employés qui nous permettent de rester" les meilleurs de notre catégorie "."