Découpe laser – Processus de découpe

Inventé des mots Lclair UNEamplification par Sstimulé Emission de RLes lasers à radiation sont synonymes d’efficacité et de qualité dans le traitement des matériaux depuis leur avènement dans les années soixante.

Ils offraient une toute nouvelle forme d’énergie qui, à son tour, se prêtait à des utilisations dans la fabrication, la médecine et les communications. Capables de chauffer, de fondre et même de vaporiser des matériaux, les lasers sont considérés comme le moyen idéal pour canaliser une énergie intense mais contrôlable.

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L’utilisation de loin la plus populaire des lasers est la découpe.

Découpe au laser

La découpe au laser est principalement un processus thermique dans lequel un faisceau laser focalisé est utilisé pour faire fondre le matériau dans une zone localisée. Un jet de gaz coaxial est utilisé pour éjecter le matériau fondu et créer une saignée. Une coupe continue est produite en déplaçant le faisceau laser ou la pièce sous contrôle CNC. Il existe trois grandes variétés de découpe laser : la découpe par fusion, la découpe au chalumeau et la découpe à distance.

Dans la découpe par fusion, un gaz inerte (généralement de l’azote) est utilisé pour expulser le matériau fondu hors du trait de scie. L’azote gazeux ne réagit pas de manière exothermique avec le matériau fondu et ne contribue donc pas à l’apport d’énergie.

Dans l’oxycoupage, l’oxygène est utilisé comme gaz auxiliaire. En plus d’exercer une force mécanique sur le matériau fondu, cela crée une réaction exothermique qui augmente l’apport d’énergie au processus.

Lors de la découpe à distance, le matériau est partiellement évaporé (ablation) par un faisceau laser à haute intensité, ce qui permet de découper des feuilles minces sans gaz d’assistance.

Le processus de découpe au laser se prête à l’automatisation avec des systèmes de CAO/FAO hors ligne contrôlant soit des systèmes à plat à trois axes, soit des robots à six axes pour la découpe au laser en trois dimensions.

Les améliorations de la précision, de l’équerrage des bords et du contrôle de l’apport de chaleur signifient que le processus laser remplace de plus en plus d’autres techniques de découpe de profilage, telles que le plasma et l’oxycoupage. Il existe de nombreuses machines laser de pointe sur le marché à des fins de découpe, qui peuvent être utilisées pour couper des métaux, du bois et des bois d’ingénierie.

Caractéristiques de coupe Avantages
  • Coupe les aciers au carbone et au manganèse jusqu’à 20 mm
  • Coupe l’acier inoxydable jusqu’à 12 mm
  • Coupe l’aluminium jusqu’à 10 mm
  • Coupe le laiton et le titane
  • Coupe les thermoplastiques, le bois et de nombreux non-métaux
  • Coupe de haute qualité – pas de finition
  • Ultra flexible – pièces simples ou complexes
  • Sans contact – aucune tache de surface
  • Installation rapide – petits lots
  • Faible apport de chaleur – petit HAZ, faible distorsion
  • Se prête à presque tous les matériaux

Comment la lentille utilisée affecte-t-elle l’épaisseur de la coupe ?

Le processus de découpe au laser consiste à focaliser un faisceau laser, généralement avec une lentille (parfois avec un miroir concave), sur un petit point qui a une densité de puissance suffisante pour produire une découpe au laser.

L’objectif est défini par sa distance focale, qui est la distance entre l’objectif et le point focalisé. Les facteurs critiques qui régissent l’efficacité du processus sont le diamètre du spot focalisé (d) et la profondeur de focalisation (L).

La profondeur de champ est la distance effective sur laquelle une coupe satisfaisante peut être obtenue. Elle peut être définie comme la distance sur laquelle la surface du spot focalisé n’augmente pas au-delà de 50 %.

Le diamètre du point focal laser et la profondeur de champ dépendent du diamètre du faisceau laser brut sur la lentille et de la distance focale de la lentille. Pour un diamètre de faisceau laser brut constant, une diminution de la lentille de distance focale de la lentille de focalisation se traduit par un diamètre de point focal et une profondeur de focalisation plus petits. Pour une lentille à focale constante, l’augmentation du diamètre du faisceau brut réduit également à la fois le diamètre du spot et la profondeur de focalisation.

Pour permettre la comparaison entre les lasers avec différents diamètres de faisceau, nous utilisons donc un facteur appelé le nombre f de mise au point, qui est la distance focale, F, divisée par le diamètre du faisceau brut entrant, D.

Les exigences pour la coupe sont les suivantes :

a) densité de puissance élevée et donc petite taille de spot focalisé

b) longue profondeur de champ pour traiter des matériaux plus épais avec une tolérance raisonnable à la variation de position de mise au point.

Parce que ces deux exigences sont en conflit les unes avec les autres, un compromis doit être fait. La seule autre considération est que plus la distance focale est courte, plus l’objectif est proche de la pièce et donc plus susceptible d’être endommagé par les éclaboussures du processus de coupe.

En fait, il serait possible d’optimiser la distance focale pour chaque épaisseur de matériau, mais cela impliquerait un temps de réglage supplémentaire lors du passage d’un travail à l’autre, qu’il faudrait équilibrer avec l’augmentation de la vitesse. En réalité, le changement de lentille est évité et une vitesse de coupe compromise, à moins qu’un travail spécifique n’ait des exigences particulières.

Quels types de découpe laser sont utilisés pour la tôle ?

De nos jours, la plupart des découpes laser de tôles industrielles sont réalisées à l’aide de deux types de lasers : CO2 et fibres.

CO2 Laser

Le CO2 laser (laser à dioxyde de carbone) est généré dans un mélange gazeux composé principalement de dioxyde de carbone (CO2), l’hélium et l’azote. Un tel laser est pompé électriquement à l’aide d’une décharge électrique.

CO2 les lasers émettent généralement à une longueur d’onde de 10,6 μm. Ceux utilisés pour le traitement des matériaux peuvent générer des faisceaux d’une puissance de plusieurs kilowatts. L’efficacité murale du CO2 lasers est d’environ 10 %, ce qui est supérieur à celui de la plupart des lasers à solide pompés par lampe (par exemple, les lasers ND:YAG), mais inférieur à celui de nombreux lasers pompés par diode .

ET QUOI2 laser peut couper des matériaux plus épais (> 5 mm) plus rapidement qu’un laser à fibre de même puissance. Il produit également une finition de surface plus lisse lors de la coupe de matériaux plus épais.

La découpe laser des tôles a historiquement commencé avec le CO2 lasers. La plupart du CO2 les machines de découpe laser sont des systèmes à trois axes (XY, contrôle de positionnement bidimensionnel avec un contrôle de hauteur sur l’axe Z).

Il existe cependant plusieurs façons d’obtenir le mouvement XY : soit en déplaçant la tête laser, en déplaçant la pièce ou une combinaison des deux.

L’approche la plus populaire est connue sous le nom de système « d’optique volante », où la pièce reste immobile et les miroirs sont déplacés sur les axes X et Y. Les avantages de cette approche sont que les moteurs déplacent toujours une masse connue et fixe. Cela peut souvent être beaucoup plus lourd que la pièce, mais c’est plus facile à prévoir et à contrôler.

Comme la pièce n’est pas déplacée, cela signifie également qu’il n’y a pas de véritable limite au poids de la feuille. L’inconvénient de l’optique volante est la variation de la taille du faisceau, car un faisceau laser n’est jamais parfaitement parallèle, mais diverge en fait légèrement lorsqu’il quitte le laser.

Cela signifie que sans contrôler la divergence, il peut y avoir une certaine variation des performances de coupe entre les différentes parties de la table, en raison d’un changement de la taille du faisceau brut. Cet effet peut être réduit en ajoutant une optique de re-collimation, ou certains systèmes utilisent même le contrôle adaptatif du miroir.

L’alternative est un système « optique fixe » où la tête laser reste fixe et la pièce est déplacée sur les axes X et Y. C’est la situation idéale sur le plan optique, mais la pire sur le plan mécanique, en particulier pour les feuilles plus lourdes.

Pour les poids de feuille relativement légers, un système optique fixe peut être une option viable, mais à mesure que le poids de la feuille augmente, le positionnement précis du matériau à grande vitesse peut être un problème.

La troisième option est connue sous le nom de système « hybride », où la tête laser est déplacée dans un axe et le matériau déplacé dans l’autre axe. Il s’agit souvent d’une amélioration par rapport à l’optique fixe, mais souffre toujours de difficultés avec des poids de feuille plus lourds.

Lasers à fibre

Les lasers à fibre font partie d’une famille appelée «lasers à semi-conducteurs». Dans les lasers à solide, le faisceau est généré par un milieu solide. Les lasers à fibre, les lasers à disque et les lasers Nd:YAG sont dans la même catégorie.

Un faisceau laser à fibre est généré par une série de diodes laser. Le faisceau laser est ensuite transmis à travers une fibre optique où il est amplifié (similaire à une cavité laser conventionnelle en CO2 lasers). Le faisceau amplifié, en sortie de fibre optique, est collimaté puis focalisé par une lentille ou un contre-batteur sur le matériau à découper. Les sources laser à fibre présentent les avantages suivants :

  1. Contrairement à un CO classique2 résonateur, une source laser à fibre n’a pas de pièces mobiles (par exemple des ventilateurs pour la circulation du gaz) ou de miroirs dans la source génératrice de lumière. C’est un avantage majeur en termes de réduction des besoins de maintenance et des coûts d’exploitation.
  2. Les lasers à fibre sont généralement deux à trois fois plus économes en énergie que le CO2 lasers de même puissance.
  3. Un laser à fibre peut couper des feuilles minces plus rapidement qu’un CO2 laser de même puissance. Cela est dû à une meilleure absorption de la longueur d’onde du laser à fibre au niveau du front de coupe.
  4. Les lasers à fibre sont capables de couper des matériaux réfléchissants sans craindre que des réflexions arrière n’endommagent la machine. Cela permet de couper sans problème le cuivre, le laiton et l’aluminium.

Lasers à diode directe

La technologie laser à diode directe est la dernière avancée dans le domaine des lasers à solide. Dans cette technologie, plusieurs faisceaux laser émis par des diodes électroluminescentes de longueurs d’onde différentes sont superposés en utilisant des techniques dites de combinaison de faisceaux. Contrairement aux lasers à fibre, les lasers à diode directe n’incluent pas d’étage d’amélioration de la luminosité, ce qui leur donne des pertes optiques plus faibles et une efficacité de prise murale plus élevée. Cependant, pour la même raison, les lasers à diode directe ont actuellement une qualité de faisceau inférieure à celle des lasers à fibre. Des lasers à diode directe à des niveaux de puissance de plusieurs kilowatts sont disponibles dans le commerce et ont été utilisés avec succès pour des applications de découpe de tôle.

Quelles difficultés la réflexion cause-t-elle ?

Tous les matériaux métalliques sont réfléchissants au CO2 faisceaux laser, jusqu’à ce qu’une certaine valeur seuil de densité de puissance soit atteinte.

L’aluminium est plus réfléchissant que l’acier au carbone-manganèse ou l’acier inoxydable et peut endommager le laser lui-même.

La plupart des machines de découpe laser utilisent un faisceau laser aligné perpendiculairement à une feuille de matériau plate. Cela signifie que si le faisceau laser est réfléchi par la feuille plate, il peut être retransmis à travers l’optique de livraison du faisceau et dans le laser lui-même, causant potentiellement des dommages importants.

Cette réflexion ne provient pas entièrement de la surface de la feuille, mais est causée par la formation d’un bain de fusion qui peut être hautement réfléchissant. Pour cette raison, la simple pulvérisation d’un revêtement non réfléchissant sur la surface de la feuille n’éliminera pas entièrement le problème.

En règle générale, l’ajout d’éléments d’alliage réduit la réflectivité de l’aluminium au laser, de sorte que l’aluminium pur est plus difficile à traiter qu’un alliage de la série 5000 plus traditionnel.

Avec de bons paramètres de coupe cohérents, la probabilité d’une réflexion peut être réduite à presque zéro, selon les matériaux utilisés. Cependant, il est toujours nécessaire de pouvoir éviter d’endommager le laser lors du développement des conditions ou en cas de problème avec l’équipement.

Le « système de découpe de l’aluminium » utilisé par la plupart des équipements modernes est en fait un moyen de protéger le laser plutôt qu’une technique innovante de découpe. Ce système prend généralement la forme d’un système de réflexion arrière qui peut détecter si trop de rayonnement laser est réfléchi à travers l’optique.

Cela arrêtera souvent automatiquement le laser, avant que tout dommage majeur ne soit causé. Sans ce système, il y a des risques avec le traitement de l’aluminium car il n’y a aucun moyen de détecter si des réflexions potentiellement dangereuses se produisent.

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