Découpe Laser Expliquée : Techniques, Types et Applications

Il existe plusieurs usages pour la découpe laser, une technique thermique, dans la production industrielle. Même les tôles métalliques aux formes les plus complexes peuvent être gravées et découpées rapidement par des machines de découpe laser, offrant des résultats supérieurs.

Un découpeur laser est un dispositif qui crée des composants 2D pour l'industrie et les amateurs en découpant divers matériaux en plaques ou feuilles à l'aide d'un faisceau laser focalisé de haute énergie. L'acier, le bois et certains polymères sont des matériaux courants.

En plus de décrire les distinctions entre les différentes méthodes de découpe laser. Dans cette lecture, nous allons explorer ce qu'est la découpe laser, ses utilisations, types, matériaux et comment elle fonctionne. Nous parlerons aussi de ses avantages et inconvénients.

Commençons !

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La découpe laser est la méthode de découpe de matériaux utilisant un laser de haute puissance guidé par commande numérique par ordinateur (CNC) via une optique.

Cette méthode est couramment utilisée pour découper des matériaux, y compris métaux, plastiques, céramiques, bois, textiles et papier, dans divers secteurs comme l'automobile, l'aérospatiale, l'électronique et le médical.

Avec l'aide d'un jet de gaz coaxial, un faisceau laser concentré est utilisé en découpe laser pour fondre le matériau en un point précis et créer un trait de coupe. Le gaz n'influence pas le faisceau laser lui-même, mais il peut efficacement brûler, fondre ou vaporiser les objets.

Les débris résultants peuvent alors être soufflés, garantissant un bord final de haute qualité. La gravure et le soudage peuvent aussi être faits par découpe laser.

Les lasers néodyme (Nd), CO₂ et néodyme yttrium-aluminium-grenat (Nd:YAG) sont les trois méthodes principales pour la découpe laser. Le type de laser peut influencer sa performance.

Précision, exactitude, moins de contamination et serrage plus simple sont certains avantages de la découpe laser. Spécifiquement, les lasers à fibre sont réputés pour leurs capacités de coupe de précision exceptionnelles.

La capacité des lasers à fibre à fournir une qualité de faisceau constante sur de longues distances est l'un de leurs principaux avantages ; cela permet une coupe uniforme sur une gamme de matériaux et d'épaisseurs. Cette uniformité réduit le besoin de post-traitement et améliore la qualité des bords.

« Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », ou « Laser », est une abréviation qui fait référence à la physique de production de la lumière laser. Bien que les principes de base de la physique laser restent les mêmes, cette technologie est souvent utilisée de trois façons : lasers Nd:YAG, CO₂ et fibre.

Utilisations Courantes de la Découpe Laser

• Découpe de tôle : technique courante pour couper plaques et feuilles de différents matériaux.
• Gravure : ajoute des marquages élégants sur bois ou numéros de série sur presque tout matériau.
• Soudage Laser : en utilisant un faisceau laser, métaux ou thermoplastiques peuvent être joints avec précision.
• Découpe de Tubes : cette méthode coupe des profils complexes sur pièces creuses en utilisant un axe rotatif.

Diagramme

Types de Découpe Laser

Trois types de lasers sont souvent utilisés en découpe laser. Contrairement aux lasers à fibre et Nd à l'état solide, les lasers CO₂ utilisent du CO₂ avec divers gaz inertes comme milieu laser. Un cristal sert de milieu laser dans les lasers YAG. Ces différents lasers fonctionnent tous sur essentiellement le même principe.

Lasers Nd:YAG / Nd:YVO

Un laser Nd:YAG utilise un cristal de grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme (Nd) (Y₃Al₅O₁₂). Certains ions yttrium (+/-1 %) sont remplacés par des ions Nd³⁺ grâce au dopage.

Deux miroirs, un totalement réfléchissant et un semi-réfléchissant, sont positionnés entre ce cristal. Un jeu de diodes laser ou un tube flash xénon/krypton sert de source de photons de pompage.

La source de pompage dans les cristaux Nd:YAG fournit des photons qui élèvent le niveau d'énergie des ions néodyme. Après réflexion entre les miroirs, les ions décrochent pour émettre une série de photons qui se combinent pour former un faisceau laser cohérent.

Une lentille sur la tête de coupe concentre le faisceau de lumière cohérente de haute intensité, de fréquence 1064 nm, après qu'il a été dirigé vers elle par des miroirs.

Des cristaux de vanadate dopés au néodyme (YVO₄) sont utilisés dans les lasers Nd:YVO, qui fonctionnent de manière similaire aux lasers Nd:YAG. Les lasers Nd:YVO, en revanche, peuvent produire plus d'impulsions par seconde, ont une meilleure stabilité de puissance et émettent moins de chaleur.

Les lasers Nd:YAG sont parfaits pour le marquage et la gravure car ils offrent une densité de puissance plus élevée et une meilleure qualité de faisceau que les lasers à fibre. Les lasers Nd:YAG ont en revanche des rendements énergétiques à un chiffre et des coûts d'exploitation significativement plus élevés.

Lasers à Fibre (Fiber Lasers)

Un câble à fibre optique dopé sert de milieu laser dans les lasers à fibre. Des photons sont pompés dans une extrémité d'un filament de fibre optique à cœur de quartz ou verre borosilicate pour créer un faisceau laser à fibre.

Ces photons suivent le filament de fibre optique jusqu'à la région dopée en éléments de terres rares. Néodyme, yttrium, erbium ou thulium sont des exemples d'éléments typiques.

Quand ils sont stimulés par les photons, chacun de ces éléments de terres rares générera un laser avec une longueur d'onde distincte. Des réseaux de Bragg en fibre sont ensuite utilisés pour amplifier la lumière.

Similaires aux miroirs réfléchissant et semi-réfléchissant utilisés dans les lasers Nd:YAG et CO₂, ces réseaux refléchissent la lumière de part et d'autre, produisant une cascade de photons.

La lumière peut traverser le réseau sous forme de faisceau cohérent de haute intensité une fois que l'intensité dépasse un seuil particulier. Comme les autres lasers, un laser à fibre utilise du gaz pour faciliter la coupe ou éjecter le matériau fondu du chemin du faisceau laser.

Les longueurs d'onde typiquement plus courtes des lasers à fibre entraînent une absorption accrue, les rendant idéaux pour les matériaux réfléchissants et produisant moins de chaleur pendant la coupe.

Par exemple, une tête de coupe à fibre peut être aisément connectée à un bras robotique 6 axes grâce à la flexibilité du câble à fibre optique, éliminant le besoin de nombreux miroirs pour diriger le laser, nécessaire pour un laser CO₂ ou Nd:YAG.

L'efficacité électrique des lasers à fibre est meilleure que celle des lasers CO₂. Pour cette raison, les matériaux réfléchissants et ceux qui absorbent bien la chaleur, comme le cuivre ou l'or, sont idéaux pour la coupe avec des lasers à fibre.

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Lasers CO₂

Les composants d'un laser CO₂ (dioxyde de carbone) sont un tube rempli de CO₂, hélium et azote. L'hélium et l'azote sont ajoutés pour augmenter l'efficacité du laser. L'azote sert de réserve d'énergie à court terme qui peut être transférée à la molécule de CO₂ lors de la libération du photon.

En revanche, une fois que la molécule de CO₂ libère un photon, l'hélium utilise le transfert d'énergie cinétique pour évacuer toute énergie résiduelle, lui permettant d'absorber l'énergie de la molécule d'azote.

Le tube a un miroir totalement réfléchissant à une extrémité. Le miroir à l'autre extrémité est seulement partiellement réfléchissant. Le gaz du tube est ionisé par un champ électrique puissant qui excite les électrons des molécules de CO₂ à un état d'énergie supérieur, produisant un photon et de la lumière.

L'état excité d'un atome libère un photon quand un photon passe près de lui. Ensuite, une fois que suffisamment de photons ont été rassemblés pour traverser le miroir semi-réfléchissant, ces photons rebondissent entre les deux miroirs.

Le tube est refroidi par un gaz ou liquide à basse température car maintenir une basse température à l'intérieur est essentiel pour un rendement maximal. Dans certains systèmes, le gaz est recyclé pour réduire les coûts d'exploitation.

Les lasers CO₂ sont de bons lasers polyvalents avec une longueur d'onde de 10600 nm qui peuvent couper tôles et plaques métalliques ainsi qu'une variété d'autres matériaux. Les matériaux à forte absorption de chaleur et hautement réfléchissants sont cependant difficiles pour les lasers CO₂.

Procédé de Découpe Laser

Généralement, une bonne lentille est utilisée pour concentrer le faisceau laser sur la zone de travail. La taille du spot concentré est directement liée à la qualité du faisceau. Typiquement, la partie la plus étroite du faisceau concentré a une largeur inférieure à 0,0125 pouces (0,32 mm).

Des largeurs de trait de coupe aussi fines que 0,004 pouces (0,10 mm) sont réalisables, selon l'épaisseur du matériau. Toute coupe commence par un perçage pour que la lame puisse commencer ailleurs que du bord.

Un faisceau laser pulsé de haute puissance est souvent utilisé pour le perçage, ce qui prend 5 à 15 secondes pour des matériaux comme l'inox de 0,5 pouce (13 mm) d'épaisseur.

Les faisceaux de lumière cohérente parallèle de la source laser ont typiquement un diamètre de 0,06 à 0,08 pouces (1,5 à 2,0 mm). Pour générer un faisceau laser extrêmement puissant, ce faisceau est souvent concentré et amplifié par une lentille ou un miroir sur une zone très petite d'environ 0,001 pouces (0,025 mm).

La direction de la polarisation du faisceau doit être ajustée alors qu'il contourne le bord d'une pièce profilée pour fournir la finition la plus nette possible pendant la coupe de contour. La distance focale pour la découpe de tôle est généralement de 1,5 à 3 pouces (38 à 76 mm).

Comparé à la coupe mécanique, la découpe laser a les avantages d'un serrage plus simple et de moins de contamination de la pièce car il n'y a pas de tranchant qui pourrait contaminer le matériau.

Comme le faisceau laser ne s'use pas pendant la procédure, la précision peut être améliorée. De plus, comme les systèmes laser n'ont qu'une petite zone affectée thermiquement, il y a moins de risque de déformer le matériau coupé.

De plus, certains matériaux sont impossibles ou extrêmement difficiles à couper avec des méthodes conventionnelles. Bien que la plupart des lasers industriels ne puissent pas couper l'acier aussi épais que le plasma, la découpe laser pour les métaux a l'avantage d'être plus précise et de consommer moins d'énergie pour la découpe de tôle.

Bien que leur coût en capital soit significativement plus élevé que celui des machines de coupage plasma qui peuvent couper des matériaux épais comme la plaque d'acier, les nouvelles machines laser fonctionnant à plus haute puissance (6000 watts, comparé aux 1500 watts des premières machines de découpe laser) se rapprochent des machines plasma dans leur capacité à couper des matériaux épais.

Matériaux Courants en Découpe Laser

Une variété de matériaux peut être découpée avec des découpeurs laser. Voici une liste des matériaux les plus souvent découpés :

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Feutre (Felt)

Le feutre est un tissu non tissé peu coûteux, difficile à couper à la main mais aisément découpé au laser. Tapis de table, patchs décoratifs et vêtements peuvent être faits en feutre. L'utilisation de feutre 95-100 % laine est conseillée car le feutre synthétique, souvent en acrylique, se coupe très mal.

Cuir (Leather)

Portefeuilles, ceintures et chaussures sont en cuir, un matériau naturel durable. Le cuir a une haute valeur perçue et se découpe et grave aisément au laser, particulièrement pour créer des objets personnalisés découpés au laser.

Le « cuir synthétique » désigne le faux cuir. Certains peuvent cependant contenir du PVC, qui libère des fumées corrosives quand il est découpé au laser.

Liège (Cork)

L'écorce du chêne-liège donne le liège, un matériau bois tendre souple souvent utilisé pour tableaux d'affichage, bases de dessous de verre antidérapantes et semelles de chaussures. Il est très facile à découper et graver au laser.

Panneau Dur (Hardboard)

Le panneau dur est une option plus résistante et durable que le MDF (panneau de fibres à densité moyenne), tout en étant plus dense. Un adhésif joint les fibres de bois.

Cet adhésif se vaporise pendant la coupe, émettant des gaz nocifs qui nécessitent un système d'extraction. Comme le panneau dur est homogène, la coupe et la gravure sont fiables.

Bois (Wood)

Les lasers CO₂ de puissance relativement modeste (150-800 W) coupent aisément le bois. Cependant, comme la découpe laser du bois produit de la fumée, un système d'extraction est essentiel.

À cause de leur structure de grain, les bois naturels peuvent avoir des finitions inégales quand ils sont coupés ou gravés. Bois durs et tendres peuvent être découpés au laser.

Laiton (Brass)

Cuivre, zinc et quelques autres métaux d'alliage secondaires forment le laiton. Le laiton a un faible frottement, une conductivité électrique et une résistance à la corrosion. Applications électriques et bagues à faible frottement sont des usages courants.

Aluminium

Divers alliages d'aluminium avec divers éléments d'alliage et usages sont collectivement appelés aluminium. En raison de son rapport résistance/poids favorable, l'aluminium est souvent utilisé dans les applications aéronautiques.

Quand il est fondu, l'aluminium est réfléchissant, ce qui le rend difficile à couper. Bien que l'aluminium puisse être coupé avec un laser CO₂, le laser à fibre est l'outil le plus efficace pour couper l'aluminium.

Acier Inoxydable (Stainless steel)

Le chrome et/ou le nickel sont les principaux éléments d'alliage dans l'acier inoxydable, classé comme alliage d'acier. Une grande variété de substances ne peut pas endommager les aciers inoxydables. Toute méthode de découpe laser peut aisément couper l'acier inoxydable. Mais pour couper l'inox, les lasers à fibre fonctionnent mieux.

Acier Doux ou Acier au Carbone (Mild steel or carbon steel)

Une large variété d'aciers avec des concentrations variables de carbone comme principal élément d'alliage sont appelés « acier au carbone ». L'acier doux est un autre type d'acier au carbone avec une teneur en carbone inférieure à 0,3 %. L'acier est plus fort plus il a de carbone. Des lasers de haute puissance peuvent couper des plaques de 20 à 25 mm d'épaisseur.

PMMA ou Acrylique

Bien que l'acrylique crée un bord de coupe net, les fumées volatiles qu'il émet nécessitent un système d'extraction. Pour raffermir le bord coupé, la pression de gaz doit être réglée pour souffler les vapeurs et le refroidir.

Quand le bord coupé est encore fondu, trop de pression d'air le fera plier. L'acrylique est parfois désigné par son nom chimique, polyméthacrylate de méthyle, ou son nom commercial, Perspex®.

Comment Fonctionne la Découpe Laser ?

Un laser de haute puissance est utilisé en découpe laser, et le faisceau ou le matériau est guidé par une optique et une commande numérique par ordinateur (CNC). La technique suit généralement un CNC ou G-code du design à couper sur le matériau via un système de contrôle de mouvement.

Le faisceau laser concentré produit un bord à finition de surface supérieure en brûlant, fondant, vaporisant ou étant soufflé par un jet de gaz. Des décharges électriques ou des lampes dans un conteneur fermé stimulent les matériaux laser pour produire le faisceau laser.

Un miroir partiel refléchit le matériau laser à l'intérieur, l'amplifiant jusqu'à ce que son énergie soit suffisante pour lui permettre de sortir comme un flux de lumière monochromatique cohérente. Des miroirs ou fibres optiques focalisent cette lumière sur la zone de travail en guidant le faisceau via une lentille qui l'amplifie.

Le diamètre d'un faisceau laser à son point le plus étroit est normalement inférieur à 0,0125 pouces (0,32 mm), cependant selon l'épaisseur du matériau, des largeurs de trait aussi fines que 0,004 pouces (0,10 mm) sont possibles.

Une procédure de perçage est utilisée quand le procédé de découpe laser doit commencer ailleurs qu'au bord du matériau. Dans cette méthode, un laser pulsé de haute intensité crée un trou dans le matériau ; par exemple, il faut 5 à 15 secondes pour percer une tôle d'inox de 0,5 pouces (13 mm) d'épaisseur.

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Avantages de la Découpe Laser

Une méthode industrielle populaire est la découpe laser. Voici quelques-uns des principaux avantages qui contribuent à l'utilisation généralisée des découpeurs laser dans la fabrication :

1. Matériaux Polyvalents : Presque tout matériau peut être traité par les découpeurs laser. Le matériau coupé, la puissance du laser et la technologie laser ont tous un impact significatif sur l'épaisseur maximale qu'un découpeur laser peut couper.
2. Post-traitement Limité : Les pièces découpées au laser n'ont pas besoin de beaucoup de post-traitement. Les bords de coupe peuvent toutefois avoir besoin d'être ébavurés dans certains cas, comme la coupe de métal, car il peut y avoir des scories adhérentes au bord.
3. Coupes Étroites : Selon le matériau et l'épaisseur, les lasers peuvent se concentrer sur des faisceaux extrêmement étroits, permettant des largeurs de coupe très petites (aussi peu que 0,1 mm).
4. Haute Précision : Contrairement à d'autres technologies comme les routeurs CNC, les découpeurs laser n'exercent aucune contrainte sur leurs têtes. Ils sont donc incroyablement exacts et précis.
5. Haute Vitesse : Les profils 2D peuvent être rapidement découpés par les découpeurs laser. Des vitesses élevées peuvent être atteintes en coupant des matériaux flexibles comme le plastique.
6. Automatisé : Beaucoup d'automatisation entre dans les découpeurs laser. Certaines machines peuvent même décharger les pièces et placer les matières premières sur le lit de coupe avec peu d'assistance humaine.
7. Coûts d'Outillage : Les découpeurs laser n'utilisent pas une variété d'outils, contrairement à l'usinage CNC. Comme la tête de découpe laser ne touche pas la matière première, il n'y a pas d'usure d'outil par friction.
8. Pas de Serrage : Les pinces et autres outils de serrage ne sont pas nécessaires pour les découpeurs laser. Il suffit de poser le matériau sur le lit de coupe ; il ne bougera pas pendant la coupe.

Inconvénients de la Découpe Laser

Même avec tous ses avantages, la découpe laser a encore plusieurs inconvénients, détaillés ci-dessous :

1. Forte Consommation Électrique : La découpe laser, particulièrement la technologie laser CO₂, consomme beaucoup d'électricité.
2. Épaisseur Limitée : L'épaisseur que les découpeurs laser peuvent couper est limitée par la mécanique de focalisation d'un faisceau laser en un point de haute intensité. Typiquement, ils sont limités aux matériaux en plaques et feuilles d'une épaisseur maximale de 25 mm. Bien que des matériaux plus épais puissent être coupés, les entreprises de fabrication ordinaires ne le font pas souvent.
3. Fumées Dangereuses : En coupant certains matériaux comme le plastique ou le bois, des fumées de combustion dangereuses peuvent être produites, qui doivent être évacuées.
4. Maintenance Coûteuse : Le tube laser est une pièce d'usure qui doit être remplacée, souvent à coût élevé, dans certaines technologies laser (comme CO₂).
5. Coût Initial Élevé : Les découpeurs laser nécessitent un investissement initial important. Des technologies moins chères, comme le plasma ou le coupage à la flamme, pourraient être plus appropriées dans certains cas.

FAQ

Que signifie découpe laser ?

La méthode appelée découpe laser crée un bord de coupe en vaporisant des matériaux avec un laser. Bien qu'initialement utilisée pour la production industrielle, les écoles, petites entreprises, architectes et amateurs l'utilisent de plus en plus.

Combien coûte la découpe laser ?

Le coût du temps de production pour la gravure et la découpe laser est de 1 £ par minute. Un service de 30 minutes coûtera 30 £, fournitures et frais de mise en place de l'œuvre inclus. Le temps de production serait de 60 £ s'il prend une heure. Selon la complexité et l'intensité du travail, une remise peut être disponible pour les gros travaux.

Quelle est la méthode de découpe laser ?

Dans le processus de découpe laser, un faisceau laser est focalisé sur un petit point avec assez de densité de puissance pour créer une coupe laser, généralement en utilisant une lentille (et occasionnellement un miroir concave). La distance entre la lentille et le point focal, ou distance focale, définit la lentille.

À quoi sert la découpe laser ?

Comme la chaleur est transmise sur le lit pour couper des sections de la tôle de matériau, elle fond et vaporise souvent le matériau. Les pièces sont retirées et peuvent être traitées davantage. Parmi les nombreux usages des découpeurs laser : gravure, découpe de tubes, soudage laser, et découpe de tôles et plaques.

Pourquoi le laser est-il si cher ?

Ces éléments incluent le coût de maintenance et réparation des machines, le coût de certification et formation des techniciens, et les frais généraux liés à l'exploitation d'un spa médical ou clinique. 18 mars 2023