La découpe laser expliquée :techniques, types et applications

Il existe plusieurs utilisations de la découpe laser, une technique thermique, dans la production industrielle. Même les tôles aux formes les plus complexes peuvent être rapidement gravées et tranchées par des appareils de découpe laser, offrant ainsi des résultats supérieurs.

Une découpeuse laser est un appareil qui crée des composants bidimensionnels destinés à un usage industriel et amateur en découpant une variété de matériaux en plaques ou en feuilles à l'aide d'un faisceau laser focalisé à haute énergie. L'acier, le bois et certains polymères sont des matériaux courants.

En plus de souligner les distinctions entre les différentes méthodes de découpe laser. Eh bien, dans cette lecture, nous explorerons ce qu’est une découpe laser, ses utilisations, ses types, ses matériaux et son fonctionnement. nous en parlerons également de ses avantages et de ses inconvénients.

Commençons !

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La découpe laser est la méthode de découpe de matériaux à l'aide d'un laser haute puissance guidé par commande numérique par ordinateur (CNC) via l'optique.

Cette méthode est couramment utilisée pour couper des matériaux, notamment les métaux, les plastiques, la céramique, le bois, les textiles et le papier, dans divers secteurs, notamment l'automobile, l'aérospatiale, l'électronique et le médical.

À l'aide d'un jet de gaz coaxial, un faisceau laser concentré est utilisé lors de la découpe laser pour faire fondre le matériau à un endroit spécifique et produire une saignée. Le gaz n'a aucune influence sur le faisceau laser lui-même, mais il peut brûler, fondre ou évaporer efficacement les objets.

Tous les débris qui en résultent peuvent ensuite être emportés par le vent, garantissant ainsi un bord final de haute qualité. La gravure et le soudage pourraient également être effectués par découpe laser.

Les lasers au néodyme (Nd), les lasers au CO₂ et les lasers au néodyme, à l'yttrium-aluminium-grenat (Nd:YAG) sont les trois principales méthodes de découpe laser. Les performances d'un laser peuvent être influencées par son type.

L'exactitude, la précision, moins de contamination et un maintien plus simple de la pièce sont quelques-uns des avantages de la découpe laser. Plus précisément, les lasers à fibre sont réputés pour leurs capacités de découpe de précision exceptionnelles.

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

L'amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement », 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 du laser soient toujours les mêmes, cette technologie est souvent utilisée de trois manières :les lasers Nd:YAG, le CO2 et la fibre.

Utilisations courantes de la découpe laser

• La découpe de tôles est une technique courante permettant de découper des plaques et des feuilles de différents matériaux.
• Gravure :ajoute des marques de bois élégantes ou des numéros de série à presque tous les matériaux.
• Soudage au laser :à l'aide d'un faisceau laser, les métaux ou les thermoplastiques peuvent être assemblés avec précision.
• Découpe de tubes :cette méthode découpe des profils complexes sur des pièces creuses à l'aide d'un axe de rotation.

Diagramme

Types de découpe laser

Trois types différents de lasers sont souvent utilisés dans les applications de découpe laser. Contrairement à la fibre solide et au Nd, les lasers CO2 utilisent le CO2 ainsi que divers gaz inertes comme milieu laser. Un cristal sert de support laser dans les lasers YAG. Ces différents lasers fonctionnent tous essentiellement sur le même principe.

Lasers Nd:YAG/Nd:YVO

Un cristal de grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme (Nd) (Y₃Al₅O₁₂) est utilisé dans un laser Nd:YAG. Certains ions yttrium (+-1 %) sont remplacés par des ions Nd³⁺ en raison du dopage.

Deux miroirs, un entièrement réfléchissant et un semi-réfléchissant, sont positionnés entre ce cristal. Un ensemble de diodes laser ou un tube flash au 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 avoir été reflétés entre les miroirs, les ions se désintègrent pour émettre une série de photons qui se combinent pour former un faisceau laser cohérent.

Une lentille sur la tête de coupe est utilisée pour concentrer le faisceau de lumière cohérente de haute intensité, qui a une fréquence de 1 064 nm, après avoir été dirigé vers lui par des miroirs.

Les 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, quant à eux, peuvent produire plus d'impulsions par seconde, avoir une meilleure stabilité de puissance et émettre 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, en revanche, ont une efficacité énergétique à un chiffre et des coûts opérationnels nettement plus élevés.

Lasers à fibre

Un câble à fibre optique dopé sert de support laser dans les lasers à fibre. Les photons sont pompés dans une extrémité d'un filament de fibre optique à noyau de verre de quartz ou de silicate de bore pour créer un faisceau laser à fibre.

Ces photons suivent le filament de la fibre optique jusqu'à ce qu'ils arrivent dans la région dosée en éléments de terres rares. Le néodyme, l'yttrium, l'erbium ou le thulium sont des exemples d'éléments typiques.

Lorsqu’il est stimulé 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 augmenter la lumière.

Semblables aux miroirs réfléchissants et semi-réfléchissants utilisés dans les lasers Nd:YAG et CO2, ces réseaux réfléchissent la lumière d'avant en arrière, produisant une cascade de photons.

La lumière peut traverser le réseau sous la forme d’un faisceau de lumière cohérent de haute intensité une fois que l’intensité dépasse un seuil particulier. Semblable à d'autres lasers, un laser à fibre utilise du gaz pour faciliter la découpe ou pour projeter le matériau fondu hors du trajet du faisceau laser.

Les longueurs d'onde généralement plus courtes des lasers à fibre entraînent une absorption accrue, ce qui les rend idéaux pour réfléchir les matériaux et produire moins de chaleur pendant la découpe.

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

Le rendement électrique des lasers à fibre est meilleur que celui des lasers CO₂. Pour cette raison, les matériaux réfléchissants et les matériaux qui absorbent efficacement la chaleur, comme le cuivre ou l'or, sont idéaux pour la découpe 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, d'hélium et d'azote gazeux. De l'hélium et de 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 de photons.

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

Le tube est doté d'un miroir totalement réfléchissant à une extrémité. Il n’y a qu’une réflexion partielle du miroir à l’extrémité opposée. Le gaz du tube est ionisé par un puissant champ électrique qui excite les électrons des molécules de CO₂ vers un état d'énergie plus élevé, produisant un photon et de la lumière.

L’état excité d’un atome libère un photon lorsqu’un photon passe à proximité de lui. Ensuite, une fois que suffisamment de photons ont été collectés pour traverser le miroir semi-réfléchissant, ces photons rebondissent sur les deux miroirs.

Le tube est refroidi à l'aide d'un gaz ou d'un liquide à basse température car le maintien d'une basse température à l'intérieur du tube est essentiel pour une efficacité maximale. Dans certains systèmes, le gaz est recyclé pour réduire les dépenses d'exploitation.

Les lasers CO₂ sont de bons lasers polyvalents avec une longueur d'onde de 10 600 nm qui peuvent couper des tôles et des plaques ainsi qu'une variété d'autres matériaux. Cependant, les matériaux à forte absorption de chaleur et hautement réfléchissants sont difficiles à utiliser pour les lasers CO₂.

Processus de découpe laser

Habituellement, 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. En règle générale, la section la plus étroite du faisceau concentré a une largeur inférieure à 0,0125 pouce (0,32 mm).

Des largeurs de saignée d'aussi peu que 0,004 pouces (0,10 mm) sont réalisables, en fonction de l'épaisseur du matériau. Chaque coupe commence par une perforation afin que la lame puisse commencer ailleurs que sur le 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'acier inoxydable de 0,5 pouce d'épaisseur (13 mm).

Les faisceaux lumineux cohérents parallèles de la source laser ont généralement un diamètre de 0,06 à 0,08 pouces (1,5 à 2,0 mm). Afin de générer un faisceau laser extrêmement puissant, ce faisceau est souvent concentré et amélioré par une lentille ou un miroir sur une très petite zone d'environ 0,001 pouce (0,025 mm).

La direction de la polarisation du faisceau doit être ajustée lorsqu'elle entoure le bord d'une pièce profilée pour fournir la finition la plus propre possible lors de la découpe du contour. La longueur de mise au point pour la découpe de tôle est généralement de 1,5 à 3 pouces (38 à 76 mm).

Par rapport à la découpe mécanique, la découpe laser présente les avantages d'un maintien plus simple de la pièce et d'une moindre contamination de la pièce car il n'y a pas d'arête de coupe susceptible de contaminer le matériau.

Puisque 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 par la chaleur, il y a moins de risque de déformation du matériau découpé.

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

Bien que leur coût en capital soit nettement plus élevé que celui des machines de découpe au plasma qui peuvent couper des matériaux épais comme les tôles d'acier, les nouvelles machines laser fonctionnant à une puissance plus élevée (6 000 watts, contre 1 500 watts des premières machines de découpe laser) se rapprochent des machines au plasma dans leur capacité à couper des matériaux épais.

Matériaux courants de découpe laser

Une variété de matériaux peuvent être découpés avec des découpeuses laser. Voici une liste de certains des matériaux les plus souvent tranchés :

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Feutre

Le feutre est un tissu non tissé peu coûteux, difficile à couper à la main, mais facilement découpé à l'aide d'un découpeur laser. Les sets de table, les pièces ornementales et les vêtements peuvent tous être fabriqués à partir de feutre. Il est conseillé d'utiliser 95 à 100 % de feutre de laine, car le feutre synthétique, qui est souvent composé d'acrylique, coupe très mal.

Cuir

Les portefeuilles, les ceintures et les chaussures sont tous en cuir, un matériau naturel et durable. Le cuir a une grande valeur perçue et est facilement découpé et gravé au laser, en particulier lorsqu'il est utilisé pour fabriquer des objets personnalisés découpés au laser.

Le faux cuir est un terme utilisé pour décrire le faux cuir. Certains d'entre eux, quant à eux, pourraient inclure du PVC, qui, lorsqu'il est découpé au laser, libère des fumées corrosives.

liège

L'écorce du chêne-liège produit du liège, une substance de bois dur tendre fréquemment utilisée pour les tableaux d'affichage, les bases de dessous de verre antidérapantes et les semelles intérieures de chaussures. Il est assez facile de découper et de graver du liège au laser.

Panneaux durs

Les panneaux durs sont une option plus résistante et plus durable que le MDF (panneau de fibres à densité moyenne), tout en étant plus denses. Une colle est utilisée pour joindre les fibres du bois.

Cet adhésif se vaporise lors de la découpe. Cela émet des gaz nocifs qui nécessitent l’utilisation d’un système d’échappement. Parce que les panneaux durs sont homogènes, la découpe et la gravure sont fiables.

Bois

Les lasers CO2 d'une puissance relativement modeste (150-800 W) peuvent facilement couper du bois. Cependant, comme la découpe du bois au laser produit de la fumée, un système d'échappement est essentiel.

En raison de leur structure de grain, les bois naturels peuvent présenter des finitions inégales lorsqu’ils sont coupés ou gravés. Il est possible de découper au laser des bois durs et des bois tendres.

Laiton

Le cuivre, le zinc et quelques autres métaux d'alliage secondaires se combinent pour former le laiton. Le laiton a une friction, une conductivité électrique et une résistance à la corrosion minimales. Les applications électriques et les bagues à faible friction sont des utilisations courantes.

Aluminium

Une variété d’alliages d’aluminium avec divers composants et utilisations d’alliage sont collectivement appelés aluminium. En raison de son rapport résistance/poids favorable, l'aluminium est fréquemment utilisé dans les applications aéronautiques.

Une fois fondu, l’aluminium est réfléchissant, ce qui rend sa découpe difficile. Bien que l'aluminium puisse être découpé à l'aide d'un laser CO2, un laser à fibre est l'outil le plus efficace pour couper l'aluminium.

Acier inoxydable

Le chrome et/ou le nickel sont les principaux éléments d'alliage présents dans l'acier inoxydable, qui est classé comme un alliage d'acier. Une grande variété de substances ne peuvent pas endommager les aciers inoxydables. N’importe quelle méthode de découpe laser peut facilement couper l’acier inoxydable. Mais pour couper l'acier inoxydable, les lasers à fibre fonctionnent mieux.

Acier doux ou acier au carbone

Une grande variété d'aciers avec différentes concentrations de carbone comme principal ingrédient d'alliage sont appelés « acier au carbone ». Un autre type d'acier au carbone avec une teneur en carbone inférieure à 0,3 % est l'acier doux. L’acier devient plus résistant à mesure qu’il contient du carbone. Des plaques d'une épaisseur allant de 20 à 25 mm peuvent être découpées par des lasers haute puissance.

PMMA, ou acrylique

Bien que l'acrylique crée une pointe nette, les vapeurs volatiles qu'il émet nécessitent un système d'échappement. Afin de raffermir le bord coupé, la pression du gaz doit être ajustée pour à la fois chasser les vapeurs et le refroidir.

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

Comment fonctionne la découpe laser ?

Un laser haute puissance est utilisé dans la 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 code CNC ou G de la conception à découper sur le matériau à l'aide d'un système de contrôle de mouvement.

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

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

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

Une procédure de perçage est utilisée lorsque le processus de découpe laser doit commencer ailleurs que sur le 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 brûler une feuille d'acier inoxydable de 0,5 pouce (13 mm) d'épaisseur.

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Avantages de la découpe laser

Une méthode industrielle populaire est la découpe laser. Certains des principaux avantages qui contribuent à l’utilisation généralisée des découpeuses laser dans le secteur manufacturier sont répertoriés ci-dessous :

1. Matériaux polyvalents :presque tous les matériaux peuvent être traités par des découpeuses laser. Le matériau à découper, la puissance du laser et la technologie laser ont tous un impact significatif sur l'épaisseur maximale du matériau qu'une découpeuse laser peut couper.
2. Post-traitement restreint :les pièces découpées au laser ne nécessitent pas beaucoup de post-traitement. Toutefois, les bords coupés peuvent devoir être ébavurés dans certaines situations, par exemple lors de la coupe de métal, car des scories peuvent adhérer au bord.
3. Coupes étroites :en fonction du matériau et de l'épaisseur, les lasers peuvent se concentrer sur des faisceaux extrêmement étroits, permettant des largeurs de coupe extrêmement petites (aussi peu que 0,1 mm).
4. Haute précision :contrairement à d'autres technologies, telles que les routeurs CNC, les découpeuses laser n'exercent aucune pression sur leur tête. Les découpeuses laser sont donc incroyablement exactes et précises.
5. Haute vitesse :les profils 2D peuvent être rapidement découpés par des découpeuses laser. Des vitesses élevées peuvent être atteintes lors de la découpe de matériaux flexibles comme le plastique.
6. Automatisé :les découpeuses laser font l'objet d'une grande part d'automatisation. Certaines machines peuvent même décharger des pièces et déposer des matières premières sur le lit de découpe avec peu d'aide humaine.
7. Coûts d'outillage :une grande variété d'outils ne sont pas utilisés par les découpeuses laser, contrairement à l'usinage CNC. Étant donné que la tête de découpe laser n'entre pas en contact avec la matière première, il n'y a pas d'usure de l'outil due au frottement.
8. Aucun support de pièce :les pinces et autres outils de serrage ne sont pas nécessaires pour couper les découpeuses laser. Posez simplement 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 présente encore plusieurs inconvénients, qui sont détaillés ci-dessous :

1. Consommation élevée d'électricité :la découpe laser, en particulier la technologie de découpe laser CO2, consomme beaucoup d'électricité.
2. Épaisseur limitée :l'épaisseur que les découpeuses laser peuvent couper est limitée par la mécanique de direction d'un faisceau laser vers un point de haute intensité. En règle générale, elles sont limitées aux matériaux constitués de plaques et de feuilles et ont une épaisseur maximale de 25 mm. Même si des matériaux plus épais peuvent être découpés, les entreprises de fabrication ordinaires ne le font pas souvent.
3. Fumées dangereuses :lors de la coupe de certains matériaux, tels que le plastique ou le bois, des fumées de combustion dangereuses peuvent être produites et doivent être évacuées.
4. Entretien coûteux :le tube laser est un élément usé qui doit être mis à jour, souvent à un coût élevé, dans certaines technologies laser (comme le CO2).
5. Coût initial élevé :les découpeuses laser nécessitent une mise de fonds initiale importante. Une technologie moins chère, telle que les coupeurs au plasma ou à la flamme, pourrait être plus appropriée dans certaines circonstances.

FAQ

Qu'entend-on par découpe laser ?

La méthode connue sous le nom de découpe laser crée un bord coupé en vaporisant des matériaux avec un laser. Bien qu'il ait été utilisé à l'origine pour la production industrielle, les écoles, les petites entreprises, les architectes et les amateurs l'utilisent de plus en plus.

Combien coûte une 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 £, y compris les fournitures et les frais d'installation de l'œuvre d'art. Le temps de production serait de 60 £ s'il prenait une heure. En fonction de la complexité et du niveau d'intensité du travail, une réduction peut être disponible pour les missions plus importantes.

Quelle est la méthode de découpe laser ?

Dans le processus de découpe laser, un faisceau laser est focalisé sur un petit point avec une densité de puissance suffisante pour créer une découpe laser, généralement à l'aide d'une lentille (et parfois d'un miroir concave). La distance entre l'objectif et le point focalisé, ou distance focale, définit l'objectif.

À quoi sert la découpe laser ?

Lorsque la chaleur est transmise sur le lit pour couper des sections de la feuille de matériau, elle fond et vaporise fréquemment le matériau. Des pièces sont retirées et pourraient être traitées davantage. Parmi les nombreuses utilisations des découpeuses laser figurent la gravure, la découpe de tubes, le soudage au laser et la découpe de tôles et de plaques.

Pourquoi le laser est-il si cher ?

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