Découpe laser expliquée : précision, puissance et applications

Il fut un temps où les lasers n'étaient que des rêves de science-fiction. En 60 ans, nous sommes passés de canons à rayons cosmiques imaginaires à l'exploitation stratégique de la puissance de la lumière. Aujourd'hui, les lasers sont partout : dans des équipements chirurgicaux subtils, des lecteurs de médias optiques, et dans la force brute des lasers pour la fabrication. Ce qu'ils ont tous en commun, c'est la capacité de faire leur travail avec une précision incroyable, guidés par une main stable ou une application pilotée par ordinateur.

Qu'est-ce qu'un LASER ?

LASER signifie Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplification de la lumière par émission stimulée de radiation). Essentiellement, les lasers fonctionnent en excitant des atomes de certains éléments dans un environnement contrôlé. Les électrons de ces atomes changent de position dans leur orbite autour du noyau pour un chemin plus énergétique et lorsqu'ils reviennent à leur position « d'origine », ils libèrent un flux d'énergie lumineuse cohérente, ce qui signifie que la lumière a la même longueur d'onde et est entièrement en phase. L'énergie consiste en des photons, qui sont guidés à travers une lentille. Là, ils se concentrent en un faisceau unique, et leur puissance est substantielle.

Deux éléments affectent la capacité de coupe d'un laser : la puissance du laser (mesurée en kilowatts, ou kW) et sa capacité à focaliser son faisceau le plus compactement possible. Pour les concepteurs, il est essentiel de savoir que le laser, comme tout instrument de coupe, a une largeur, appelée kerf laser. Bien qu'il soit important de le compenser, le kerf est bien plus petit comparé aux autres procédés de coupe.

Comparaison des lasers pour la fabrication

Deux types de lasers dominent le secteur manufacturier : le dioxyde de carbone (CO₂) et la fibre (aussi appelé laser à état solide). Bien que tous deux aient été inventés à peu près au même moment (1963/64), le CO₂ a été utilisé plus longtemps dans les applications commerciales. La fibre n'est vraiment arrivée sur la scène manufacturière qu'au début des années 1980.

« Les lasers sont l'une des principales raisons pour lesquelles nous pouvons livrer des pièces en jours, au lieu de semaines », déclare Phil Dunbar, superviseur de fabrication chez Protolabs au New Hampshire. « Les coupes qu'ils créent sont incroyablement précises et n'ont pas besoin de beaucoup, voire pas du tout, d'ébarbage. Bien que les presses à poinçonner restent des outils importants, elles ne peuvent tout simplement pas atteindre cette précision. »

En comparant les deux, la fibre mène généralement la danse, mais le choix de laquelle utiliser est souvent basé sur le type et l'épaisseur du matériau que vous coupez. La fibre est plus rapide sur les métaux minces. Son faisceau plus hautement focalisé aide également ces lasers à couper plus rapidement les matériaux hautement réfléchissants. Contrairement aux lasers CO₂, les lasers à fibre n'ont pas de pièces mobiles ni de miroirs qui peuvent se dérégler, ce qui réduit les coûts de maintenance. Surtout, les lasers à fibre utilisent moins d'électricité pour la même puissance de coupe.

On pourrait penser que la décision d'utiliser la fibre serait un choix évident, mais il y a des domaines où le CO₂ impressionne encore, comme la vitesse des coupes droites et, pour l'instant, les matériaux plus épais que 5 mm (0,2 po). Cela dit, les lasers à fibre deviennent plus puissants, donc même ces différences deviennent moins significatives.

Alternatives à la découpe laser

Avec toute leur puissance et leur vitesse, on pourrait penser que les lasers sont la seule voie, mais il y a d'autres concurrents solides.

Fraisage :

Utiliser une fraise en bout pour couper peut sembler old school, mais c'est précis à 0,00762 mm (0,0003 po) et raisonnablement rapide. Ce qu'il y a de mieux, ce sont les bords de haute qualité que les fraises en bout créent et la capacité à travailler avec des médias 3D. Un inconvénient du fraisage est que la mise en place et la programmation prennent du temps.

Jet d'eau :

Combinez de l'eau avec une poudre abrasive, projetez-la hors d'une buse à une pression ridiculement élevée, et vous avez la découpe par jet d'eau. Elle est aussi précise que le fraisage, mais la qualité des bords est quelque peu sacrifiée en raison de la distorsion du jet d'eau en tranchant le métal.

Électroérosion à fil (Wire EDM) :

Dans l'électroérosion à fil (EDM), l'électricité passe à travers un fil fin et chargé (généralement cuivre ou laiton), ce qui provoque une étincelle entre lui et le matériau que vous coupez. Le circuit est complété par un autre fil du côté opposé de votre métal. L'étincelle pénètre le métal, le coupant précisément, et ce second fil complète le circuit. Tout le processus se déroule dans de l'eau diélectrique, un type d'eau qui ne conduit pas l'électricité, servant ainsi à refroidir la surface de coupe tout en limitant le chemin du flux électrique entre le fil et le métal. C'est un processus lent, mais ce qu'il perd en vitesse, il le compense par une précision de 0,00254 mm (0,0001 po). Une limitation importante : le Wire EDM exige que le métal de votre pièce soit électriquement conducteur, sinon il ne le coupera pas.

Presse à poinçonner :

Ce procédé fait exactement ce que vous pensez. Une presse poinçonne votre métal pour créer la forme désirée. Les sacrifices avec ce procédé sont la précision et la qualité des bords. Votre pièce aura certainement besoin d'ébarbage. Vous ne pouvez pas non plus l'utiliser si vos métaux sont fragiles ou durcis car la pièce se briserait dans la presse. Du côté positif, bien qu'il faille du temps pour configurer et programmer une presse à poinçonner, une fois que c'est fait, il est facile de produire plusieurs pièces.

Service de découpe laser pour pièces en tôle

Les technologies de fabrication analogiques et numériques ont fusionné sous la forme de machines laser/poinçon. Elles combinent la découpe précise et puissante d'un laser à fibre avec des options d'outillage standard et des géométries mieux gérées par une presse à poinçonner. Des caractéristiques telles que des persiennes, des brides et plus encore peuvent être créées rapidement avec des bords sans bavure découpés au laser en utilisant un seul outil pour la découpe et le formage.

L'ajout de lasers dans la fabrication a apporté un moyen sûr, rapide et précis de couper les tôles. La puissance du laser combinée à sa capacité à passer en douceur de la force brute de la coupe en lignes droites à la précision subtile de la création de courbes douces en fait un outil indispensable dans la boîte à outils d'un machiniste et une aubaine pour les concepteurs de pièces complexes.

Chez Protolabs, notre service de fabrication de tôle est conçu pour la rapidité. Selon la géométrie de la pièce et les matériaux, les pièces seront découpées avec une presse à poinçonner, un laser à fibre ou un laser CO₂. Pour les pièces plus simples, une presse à poinçonner est généralement la solution la plus efficace et économique. Les composants en tôle avec des caractéristiques plus fines et plus complexes seront découpés avec un laser CNC. Un laser à fibre est utilisé pour couper les matériaux plus minces et plus réfléchissants, et un laser CO₂ est mieux adapté aux matériaux de plus forte épaisseur lorsque plus de puissance est nécessaire.