Dans l’industrie manufacturière actuelle, le laser est devenu un outil de pointe indispensable. Si de nouvelles applications apparaissent sans cesse, le découpage laser fait montre d’une précision incomparable. Les lasers à fibre, notamment dans le traitement des tôles, ont acquis une grande importance en tant que procédés de découpage économiques. Le procédé de découpe au laser permet, d’une part, de découper avec précision et sans bavures des matériaux en plaques et, d’autre part, des corps en 3D tels que des tubes ou des profilés. Pour la plupart des matériaux, il n’est ainsi pas nécessaire de procéder à un traitement mécanique ultérieur et coûteux. En fonction des exigences et des matériaux, on utilise différents types de lasers disposant de procédés appropriés. Dans cet article, nous expliquons en quoi consistent les lasers et quels sont les procédés les plus courants.
Qu’est-ce que la découpe au laser?
La découpe au laser, qui fait partie des procédés de découpage, permet l’usinage sans contact de presque tous les groupes de matériaux et la réalisation de tâches de coupes très variées à un niveau de qualité des plus élevés. Qu’il s’agisse de matériaux en forme de plaques ou de géométries tridimensionnelles, le laser permet de découper et de travailler le métal, le plastique, le papier ou encore la roche avec une précision micrométrique. La mise au point de lasers à fibre optique innovateurs a fait de la découpe au laser le procédé de découpage le moins coûteux, précisément dans le domaine des tôles fines. Les contours les plus variés peuvent être réalisés à grande vitesse de coupe et la plupart du temps, sans retouche. Exemples d’application typiques : fabrication de découpes laser techniques, couvercles, ronds ou usinage de tubes.
Quelles sont les procédés de découpe au laser?
Différents procédés peuvent être utilisés en fonction du matériau, de l’utilisation et du mode d’action des lasers utilisés.
- Découpe par fusion laser
Ce procédé offre une grande qualité de coupe et est extrêmement précis. Avec ce procédé, le faisceau laser fait fondre le matériau le long du contour à couper, la masse fondue ainsi obtenue est soufflée à l’aide d’un jet de gaz sous haute pression. L’énergie du faisceau laser est être acheminée avec une précision ponctuelle, la formation involontaire d’oxyde pouvant être évitée. - Découpe laser 2D
Ce procédé est la solution de fabrication idéale pour les matériaux en forme de plaques, presque tous les groupes de matériaux pouvant être travaillés rapidement et de manière économique. Un autre avantage de cette technique, comparé aux procédés conventionnels tels que l’estampage, est qu’il rend possible la fabrication de petites séries de haute qualité et à moindre coût. - Oxycoupage par rayon laser
Ce procédé est similaire à la découpe par fusion, généralement utilisée pour couper des matériaux de grande épaisseur. La différence est que l’oxygène pur, soufflé au point de découpage, réagit avec le matériau et génère une énergie thermique élevée. Le matériau est coupé ponctuellement et la masse fondue, soufflée hors du joint de coupe. - Usinage laser 3D
Ce procédé est approprié lorsqu’il s’agit de fabriquer des géométries 3D complexes avec une précision absolue. Le processus est réalisé sur des installations de découpe au laser qui permettent également de combiner découpe laser et poinçonnage en une seule opération. Applications typiques : perçages tridimensionnels ou carrosseries brutes. - Découpe de sublimation par rayon laser
Ici, le matériau est évaporé au moyen d’un faisceau laser par un très grand dégagement de chaleur. Ce processus, appelé sublimation, empêche la formation de matière fondue, le jet de gaz appliqué n’étant pas utilisé pour souffler le joint, mais pour protéger les lentilles et miroirs sensibles. Exemples typiques : découpe de matériaux plastiques aux arêtes vives. - Découpe laser de tubes
Cette opération est effectuée sur des machines de découpe laser qui combinent plusieurs méthodes de traitement de tubes et de profilés en une seule opération. Ainsi, des tubes ronds, mais aussi des tubes carrés, rectangulaires ou ovales peuvent non seulement être usinés avec précision, mais des contours peuvent aussi être réalisés pendant cette même étape.
Comment les lasers sont-ils construits et quels types de lasers existe-t-il?
Un rayon laser est une lumière extrêmement concentrée, le mot laser étant l’acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (émission de rayonnement stimulée par amplification de lumière). Par laser, on entend un appareil produisant une lumière cohérente par amplification optique. Les différents systèmes de coupe sont tous équipés des mêmes composants de base et sont disponibles sous différentes formes : laser à gaz, laser à fibres, laser à solides, laser à colorants, laser à diodes ou encore laser à excimère.
Comment les installations de découpe au laser sont-elles conçues?
Les installations modernes de découpe au laser sont extrêmement performantes et permettent d’usiner presque tous les formats de tôles, d’épaisseurs de matériaux, de tubes et de profilés à partir des matériaux les plus divers. Les principaux composants de l’installation sont les suivants : source laser, guide de rayon laser et optique de focalisation avec buse de coupe. La plupart des systèmes laser sont modulaires et peuvent être équipés à tout moment, mais aussi rapidement et simplement, de modules supplémentaires, comme par exemple, un dispositif d’évacuation automatisé des pièces. Dans le cas d’un laser à fibre ou d’un laser à disque, les rayons laser sont dirigés ponctuellement jusqu’au point de sortie par l’intermédiaire de fibres optiques, et dans le cas d’un laser à CO2, par l’intermédiaire d’un système de miroirs, puis focalisés en un faisceau laser puissant au moyen d’un système optique de focalisation. Il existe également des machines combinées de découpe au laser qui permettent la réalisation de découpes à l’emporte-pièce et de découpes au laser en une seule opération, ce sans échange d’outils.
Comment fonctionne la technologie au laser?
Les principaux composants d’un laser sont la source du faisceau laser, le guidage du faisceau laser et la tête d’usinage (optique de mise au point) avec buse de coupe. Le rayon laser peut être guidé jusqu’au point d’usinage dans le domaine infrarouge proche (laser à fibre ou laser à disque) par fibres optiques ou par miroirs de réflexion (laser à CO2).
Tous les systèmes laser sont équipés d’une source pulsée, d’un medium laser et d’un résonateur, et fonctionnent selon le même principe. Une énergie externe est acheminée jusqu’au medium laser via la source pulsée, et convertie en rayonnement. La longueur d’onde du faisceau laser et la densité de puissance du laser dépendent du résonateur qui se trouve à l’intérieur du laser. Celui-ci amplifie le rayonnement produit et le diffuse sous forme d’un faisceau laser concentré via un miroir semi-transparent. Le laser est un outil polyvalent hightech qui permet de couper, de souder, de percer ou de graver. Les avantages de cette technologie innovante se manifestent surtout dans la découpe au laser.
On utilise comme outil de coupe un faisceau laser concentré produit au moyen d’un gaz (laser à gaz) ou d’un cristal (laser solide). Ce faisceau laser intense est renforcé comme dans un verre de loupe par un système de lentilles, et focalisé ponctuellement sur une minuscule surface de la pièce, produisant ainsi une densité d’énergie élevée. Là, le matériau fond ou s’évapore : le processus de coupe commence le long du contour de la pièce. La matière enlevée est soufflée hors du joint par un jet de gaz qui sort de la buse avec le faisceau laser.
Avantages et applications de la découpe au laser
Le laser est un outil très polyvalent qui permet de découper différents matériaux de différentes épaisseurs. Lors de la découpe au laser, la fente de coupe est très étroite et la qualité de la coupe, extrêmement élevée. Selon l’installation, tous les matériaux peuvent être coupés. En fonction du matériau et du procédé, il est possible d’obtenir une arête de coupe propre, étroite et souvent sans traitement ultérieur. La découpe au laser permet un haut degré d’exploitation du matériau et est donc très économique. Il est également possible de graver et de découper des produits avec la même source de rayonnement et en une même opération.
Quels matériaux peuvent être soumis au laser?
La découpe au laser est un procédé de découpage sans contact de matériaux métalliques et non métalliques comme le métal, les matériaux plastique, le verre, la céramique, le bois ou le papier. Le laser est très polyvalent et découpe des matériaux en forme de plaques ou tridimensionnels sans application de force, ni de tolérance précise, et sans traitement ultérieur mécanique.
Quelles largeurs de coupe sont possibles lors de la découpe au laser?
La découpe au laser permet d’obtenir facilement des largeurs de coupe étroites de 1,0 mm et des précisions de +/- 0,1 mm/m. Dans le micro-usinage, on utilise des lasers solides qui permettent même des coupes fines de largeur jusqu’à 20 µm. Le matériau, la géométrie des pièces et le procédé utilisé sont des facteurs importants pour obtenir les tolérances souhaitées.
Qu’est-ce qu’un « laser-cut »?
Par laser-cut, on entend la séparation/le découpage de matériaux par échauffement de matériaux au moyen d’un faisceau laser pulsé ou continu. La puissance laser totale est concentrée sur un point amenant le matériau à fondre/s’évaporer avec précision sous l’effet du fort développement thermique.
Découpage au laser à fibres, à d’autres solides ou au CO2
Chaque système laser a ses propres points forts et avantages d’utilisation. Le CO2 est une technologie plus ancienne, alors que les lasers à fibre exercent une influence croissante au fur et à mesure de l’évolution technique. Les avantages du laser à fibre optique sont notamment la vitesse, les coûts de fonctionnement réduits, les faibles coûts d’entretien, la durée de vie élevée et le débit trois fois plus élevé. La longueur d’onde est décisive pour déterminer quel type de matériau traiter pour quel type de laser.
On appelle laser à corps solide un laser dont le milieu actif est un solide de verre ou de cristal (matériau hôte). Les lasers à corps solide ont un rayonnement laser de puissance élevée, combiné à une fréquence et à une durée d’impulsion optimales. Ils produisent un faisceau laser de très petit diamètre focal, constituant ainsi un choix idéal pour des marquages permanents sous forme de numéros de série, de codes-barres et de codes de matrice de données sur des métaux. De même, un laser solide génère des impulsions ultracourtes en femtosecondes.
Si les matériaux à découper sont plutôt épais, il est préférable d’opter pour des lasers à CO2 dans la mesure où ils offrent des temps de piquage initiaux et des coupes longitudinales plus rapides, mais aussi une qualité de surface plus lisse lors de la coupe de matériaux de plus de 5 mm. L‘emploi d’un laser à fibre performant est nécessaire pour les domaines d’application nécessitant une découpe au laser de métaux ou un usinage de matériaux en acier inoxydable. Les deux types de lasers peuvent être utilisés pour d’autres matériaux tels que le plastique et le caoutchouc.
Dans l’industrie, les lasers à fibre sont actuellement un complément aux lasers à CO2. De par leurs propriétés particulières, ces lasers solides sont destinés au domaine des tôles minces. Ils permettent des vitesses d’usinage élevées et une coupe délicate grâce à leur petit diamètre focal. Au fur et à mesure que la puissance des lasers augmente, l’épaisseur de tôle et la vitesse de coupe augmentent. Dans le domaine des microsystèmes et dans la technique médicale, leur utilisation permet des applications des plus innovantes.