Usinage par faisceau laser :pièces, principe de fonctionnement, applications et limites

Dans cet article, vous apprendrez qu'est-ce que l'usinage par faisceau laser ?, Comment ça marche ? expliqué ses parties , principe de fonctionnement avec schéma . Et aussi les avantages et inconvénients de l'usinage par faisceau laser.

Présentation

Qu'est-ce que l'usinage par faisceau laser ?

Usinage par faisceau laser est un processus d'usinage non conventionnel, dans lequel un laser est dirigé vers la pièce à usiner. Ce processus utilise l'énergie thermique pour éliminer le métal des surfaces métalliques ou non métalliques.

Le laser est le rayonnement électromagnétique. Il produit une lumière monochromatique qui se présente sous la forme d'un faisceau presque collimaté qui peut être focalisé optiquement sur de très petits spots de moins de 0,002 mm de diamètre.

Le ‘LASER ' mot signifie Amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement.

Principe de fonctionnement de l'usinage par faisceau laser

Considérons que les atomes d'un milieu (par exemple, une tige de cristal de rubis) sont à l'état fondamental. Lorsqu'un quantum d'énergie d'une source lumineuse est amené à tomber sur ce milieu, il provoque l'absorption du rayonnement par les atomes du milieu.

Il en résulte qu'un électron des atomes du milieu saute au niveau d'énergie supérieur.

On dit alors que les atomes du niveau d'énergie supérieur sont dans un état excité. L'atome dans un état excité commence immédiatement à tomber spontanément à l'état métastable (intermédiaire).

À partir de l'état métastable, l'atome émet un photon au hasard avant de tomber au niveau d'énergie d'origine. Ce rayonnement de photons est appelé émission spontanée qui est extrêmement rapide.

Cependant, en présence de la lumière de la fréquence appropriée, une émission stimulée se produira dans le niveau d'énergie supérieur lorsque les atomes commenceront à émettre et la réaction en chaîne se produira en provoquant l'émission de plus et toute l'avalanche se déversera ensemble. C'est ce qu'on appelle l'action laser.

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Parties du circuit laser

Voici les principales parties de l'usinage par faisceau laser :

1. Une paire de miroirs
2. Une source d'énergie
3. Un amplificateur optique.

Cet amplificateur s'appelle le laser . A ces éléments de base, il faut ajouter un système de contrôle et un système de refroidissement. La partie la plus importante de l'appareil laser est le cristal laser . Le cristal laser couramment utilisé est un rubis artificiel constitué d'oxyde d'aluminium dans lequel 0,05 % de chrome a été introduit.

Les tiges de cristal sont généralement rondes et les surfaces d'extrémité sont rendues réfléchissantes par des miroirs. Le matériau laser a besoin d'une source d'énergie appelée pompe . Il peut s'agir d'une lampe flash remplie de gaz xénon, argon ou krypton. La lampe est placée près de l'amplificateur ou de la tige de cristal à l'intérieur d'un cylindre hautement réfléchissant qui dirige la lumière de la lampe flash dans la tige afin qu'autant d'énergie que possible puisse être absorbée par le matériau laser.

Les atomes de chrome du rubis sont ainsi excités à des niveaux d'énergie élevés. L'atome excité émet de l'énergie (photons) après être revenu à son état normal. De cette manière, une énergie très élevée est obtenue en impulsions courtes. La tige de rubis devient moins efficace à des températures élevées, elle est donc continuellement refroidie avec de l'eau, de l'air ou de l'azote liquide.

Fonctionnement de l'usinage par faisceau laser

En fonctionnement, la pièce à découper est placée sur la table de travail en aluminium (qui résiste à la découpe par faisceau laser).

La tête laser traverse la pièce et un opérateur inspecte visuellement la coupe tout en ajustant manuellement le panneau de commande.

Le profil réel est obtenu à partir d'un mécanisme lié, conçu pour copier le dessin maître ou le profil réel, placé sur un banc à proximité.

Le laser à impulsions courtes a une puissance de sortie de près de 10 kw'cm de section de faisceau.

En focalisant un faisceau laser sur un point de 1/100 de mm carré, le faisceau peut être concentré en un éclair court à une densité de puissance de 100 000 kW/cm et une énergie de plusieurs joules durant une minute fraction de seconde.

Pour usiner de courtes impulsions, disons, une énergie de 100 joules est nécessaire.

Le laser peut donc fournir suffisamment de chaleur pour faire fondre et vaporiser n'importe lequel des matériaux connus.

Le mécanisme par lequel un faisceau laser enlève de la matière de la surface travaillée comprend un mélange de processus de fusion et d'évaporation.

Cependant, avec certains matériaux, le mécanisme est une évaporation pure.

Taux d'usinage

Le laser peut être utilisé aussi bien pour la découpe que pour le perçage. Le taux d'enlèvement de matière en LBM est relativement faible et est de l'ordre de 4000 mm/h.

La découpe se trouve à partir de la relation suivante :

Où,

P =Puissance laser incidente sur la surface, W

E =Énergie de vaporisation du matériau, W/mm (mm²)

A =Aire du faisceau laser au point focal, (mm²)

t1 =Épaisseur du matériau, mm

k =caractéristiques constantes du matériau et efficacité de conversion de l'énergie laser vers le matériau, mm/min.

L'énergie approximative E nécessaire pour élever un volume de métal jusqu'à son point de vaporisation est donnée par :

Où,

Pg =Densité du matériau, kg/m 3

Vg =Volume à évaporer, m 3

Cp =Chaleur spécifique, cal/kg K

θm =Point de fusion, K

θb =point d'ébullition, K

θ0 =Température ambiante, K

Lm =Chaleur latente de fusion, cal/kg

Lv =Chaleur latente de vaporisation, cal/kg

np =Efficacité du processus

Précision

Quelle est la précision de ce processus d'usinage ?

• Le laser est mieux utilisé pour la découpe ainsi que pour le perçage.
• Afin d'obtenir les meilleurs résultats possibles en perçage, il est impératif que le matériau soit situé dans une tolérance de +0,2 mm d'un point focal.
• La précision de la découpe de profil avec commande numérique ou traceur photoélectrique est d'environ +0,1 mm.

Application de l'usinage par faisceau laser

• Le processus d'usinage au laser ne s'avère actuellement adapté que dans des cas exceptionnels, comme l'usinage de très petits trous et la découpe de profils complexes dans des matériaux fins et durs comme la céramique.
• Il est également utilisé pour la découpe partielle ou la gravure.
• D'autres applications incluent la coupe de métal en acier, le masquage et la coupe de résistance.
• Bien que le LBM ne soit pas un processus d'enlèvement de matière en masse, il est possible d'utiliser ce processus dans la production de micro-usinage en masse.

Avantages de l'usinage par faisceau laser

Les principaux avantages de l'usinage par faisceau laser sont les suivants :

1. Il y a un contact direct entre l'outil et la pièce.
2. L'usinage de tout matériau, y compris non métallique, est possible.
3. Il est possible de percer et de couper des zones difficilement accessibles.
4. La zone affectée par la chaleur est petite en raison du faisceau collimaté.
5. Des trous extrêmement petits peuvent être usinés.
6. Il n'y a pas d'usure d'outil.
7. Les matériaux souples comme le caoutchouc et les plastiques peuvent être usinés.

Inconvénients de l'usinage par faisceau laser

L'une des principales limitations du laser est qu'il ne peut pas être utilisé pour couper des métaux qui ont une conductivité thermique élevée ou une réflectivité élevée, par exemple Al, Cu et leurs alliages. De plus, le procédé présente les inconvénients suivants :

1. Son efficacité globale extrêmement faible (10 à 15 %).
2. Le processus est limité aux feuilles minces.
3. Il a un taux d'enlèvement de matière très faible.
4. Les trous usinés ne sont ni ronds ni droits.
5. Le système laser est assez inefficace car la durée de vie de la lampe à cils est courte.
6. Le coût est élevé.

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Conclusion :

Usinage par faisceau laser est l'un des meilleurs appariements conventionnels, tout matériau solide pouvant être fondu sans décomposition peut être découpé avec le faisceau laser. Voilà, nous avons tout discuté sur ce sujet, mais si vous avez des doutes ou des questions, vous pouvez les poser dans les commentaires.

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