Usinage Laser : Composants, Principes, Applications et Limites

Introduction

Qu'est-ce que l'usinage laser ?

L'usinage par faisceau laser est un procédé d'usinage non conventionnel, dans lequel un laser est dirigé vers la pièce pour l'usiner. Ce processus utilise l'énergie thermique pour enlever du métal de surfaces métalliques ou non métalliques.

Le laser est un rayonnement électromagnétique. Il produit une lumière monochromatique sous forme d'un faisceau presque collimaté qui peut être focalisé optiquement sur des taches très petites de moins de 0,002 mm de diamètre.

Le mot 'LASER' signifie Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplification de la lumière par émission stimulée de radiation).

Principe de Fonctionnement de l'Usinage 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 fait tomber sur ce milieu, il provoque l'absorption du rayonnement par les atomes du milieu.

Cela entraîne un électron des atomes du milieu sautant au niveau d'énergie supérieur.

Les atomes au niveau d'énergie supérieur sont dits à l'état excité. L'atome à l'état excité commence immédiatement à retomber spontanément à l'état métastable (intermédiaire).

À partir de l'état métastable, l'atome émet un photon au hasard avant de retomber au niveau d'énergie original. Ce rayonnement de photons est connu sous le nom d'émission spontanée qui est extrêmement rapide.

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

Composants du Circuit Laser

Voici les principaux composants de l'usinage par faisceau laser :

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

Cet amplificateur est appelé le laser. À ces composants de base doivent être ajoutés 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. Cela peut être une lampe à flash remplie de xénon, d'argon ou de gaz 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 que le plus d'énergie possible puisse être absorbée par le matériau laser.

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

Fonctionnement de l'Usinage Laser

En opération, la pièce à couper est placée sur la table de travail en aluminium (qui résiste à être coupée par le faisceau laser).

La tête laser est déplacée au-dessus de 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, fait pour copier le dessin maître ou le profil réel, placé sur un banc à proximité.

Le laser en impulsions courtes a une puissance de sortie d'environ 10 kW/cm² de section transversale du faisceau.

En focalisant un faisceau laser sur une tache de 1/100 de mm², le faisceau peut être concentré en un court flash à une densité de puissance de 100 000 kW/cm² et une énergie de plusieurs joules durant une infime fraction de seconde.

Pour l'usinage, des impulsions courtes de, disons, 100 joules d'énergie sont requises.

Le laser peut donc fournir assez de chaleur pour fondre et vaporiser n'importe quel matériau connu.

Le mécanisme par lequel un faisceau laser enlève du matériau de la surface travaillée inclut 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 pour la coupe ainsi que pour le perçage. Le taux d'enlèvement de matière en LBM est comparativement faible et est de l'ordre de 4000 mm³/hr.

La vitesse de coupe est trouvée à partir de la relation suivante :

Où :

P = Puissance laser incidente sur la surface, W

E = Énergie de vaporisation du matériau, W/mm³

A = Surface du faisceau laser au point focal, mm²

t1 = Épaisseur du matériau, mm

k = constante caractéristique du matériau et de l'efficacité de conversion de l'énergie laser au matériau, mm/min

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

Où :

ρ = Densité du matériau, kg/m³

V = Volume à évaporer, m³

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

η = Rendement du processus

Précision

Quelle est la précision de ce procédé d'usinage ?

• Le laser est idéal pour la coupe ainsi que pour le perçage.
• Pour obtenir les meilleurs résultats possibles en perçage, il est impératif que le matériau soit positionné dans une tolérance de ±0,2 mm du point focal.
• Précision en coupe de profil avec commande numérique ou traceur photoélectrique d'environ ±0,1 mm.

Applications de l'Usinage Laser

• Le procédé d'usinage laser est actuellement jugé approprié seulement dans des cas exceptionnels comme l'usinage de très petits trous et la coupe de profils complexes dans des matériaux minces et durs comme la céramique.
• Il est aussi utilisé dans la coupe partielle ou la gravure.
• D'autres applications incluent le rognage de tôle, le découpage et le rognage de résistances.
• Bien que LBM ne soit pas un procédé d'enlèvement de matière en masse, il est possible d'utiliser ce procédé en production de micro-usinage de masse.

Avantages de l'Usinage Laser

Les principaux avantages de l'usinage par faisceau laser incluent :

1. Il n'y a pas de contact direct entre l'outil et la pièce.
2. L'usinage de tout matériau, y compris les non-métaux, est possible.
3. Le perçage et la coupe de zones difficilement accessibles sont possibles.
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 tendres comme le caoutchouc et les plastiques peuvent être usinés.

Inconvénients de l'Usinage Laser

L'une des principales limitations du laser est qu'il ne peut pas être utilisé pour couper des métaux ayant une haute conductivité thermique ou une haute réflectivité, par ex., Al, Cu et leurs alliages. En outre, le processus a les inconvénients suivants :

1. Son rendement global est 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 pas ronds et droits.
5. Le système laser est assez inefficace car la durée de vie de la lampe flash est courte.
6. Coût élevé.

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Conclusion

L'usinage par faisceau laser est l'un des meilleurs procédés d'usinage non conventionnels ; tout matériau solide qui peut être fondu sans décomposition peut être coupé avec le faisceau laser. C'est tout, nous avons tout discuté sur ce sujet mais si vous avez encore des doutes ou questions, vous pouvez les poser dans les commentaires.

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