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La découpe laser comme procédé de refendage sans contact

La découpe laser est un procédé permettant de refendre des pièces métalliques et non métalliques présentant différentes épaisseurs de matière. La base de ce processus est un faisceau laser qui est guidé, formé et focalisé. Lorsque ce faisceau entre en contact avec la pièce à usiner, la matière se réchauffe au point de fondre ou d'être vaporisée. La totalité de la puissance laser se concentre alors sur un point dont le diamètre est en général inférieur à un demi-millimètre. Si la chaleur appliquée à cet endroit est trop importante pour pouvoir être évacuée par conduction thermique, le faisceau laser transperce complètement la matière – le processus de découpe est amorcé. Alors qu'avec les autres procédés, des outils massifs appliquent des forces énormes sur la tôle, le faisceau laser travaille sans contact avec la matière. L'outil ne subit ainsi aucune usure, et la pièce n'est ni déformée, ni endommagée.

Les avantages de la découpe laser

Variété de matériaux

Toutes les matières couramment utilisées pour l'usinage industriel – de l'acier aux matières non métalliques telles que les matières plastiques, le verre, le bois ou la céramique, en passant par l'aluminium, l'acier inoxydable et les tôles de métal non ferreux – peuvent être découpées au laser avec un haut niveau de sûreté et de qualité. Cet outil permet de découper des épaisseurs de tôle très variables, comprises entre 0,5 et plus de 30 millimètres. Ce spectre de matières extrêmement large fait du laser la solution numéro 1 parmi les outils de refendage pour de nombreuses applications, dans les domaines métallique comme non métallique.

Choix du contour

Le faisceau laser concentré réchauffe la matière de manière localisée et le reste de la pièce subit une charge thermique minime, voire nulle. La fente de coupe est ainsi à peine plus large que le faisceau, et il est possible de découper les contours les plus complexes et les plus fins avec un résultat lisse et sans bavures. Le long travail de retouche n'est la plupart du temps plus nécessaire. En raison de sa flexibilité, ce procédé de découpe est fréquemment utilisé sur des lots de petite taille ou présentant un grand nombre de variantes, ainsi que pour la construction de prototypes.

Des bords de coupe de grande qualité grâce à des impulsions ultracourtes

Les lasers à impulsions ultracourtes vaporisent presque n'importe quelle matière si rapidement qu'aucun impact thermique n'est décelable. Il en résulte des bords de coupe de grande qualité, sans projections de matière fondue. C'est pourquoi les lasers conviennent particulièrement bien à la fabrication de produits métalliques extrêmement fins, comme les stents dans la technologie médicale. Dans l'industrie des écrans, les lasers à impulsions ultracourtes découpent des verres trempés chimiquement.

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Que vous visiez l'usinage laser 2D ou 3D, TRUMPF vous propose des machines et systèmes correspondant aux cas d'application les plus divers.

Le processus de découpe laser

La découpe laser repose sur l'interaction entre le faisceau laser focalisé et la pièce à usiner. Pour que ce processus se déroule de manière précise et sûre, de nombreux composants et équipements auxiliaires sont utilisés en liaison plus ou moins directe avec le faisceau laser ; ces éléments sont détaillés sur la figure suivante.

Optique de focalisation : des optiques à lentilles ou à miroirs focalisent le faisceau laser sur le point d'usinage
Faisceau laser : le faisceau laser touche la pièce à usiner et la réchauffe jusqu'à ce qu'elle fonde ou soit vaporisée.
Gaz de coupe : le gaz de coupe est utilisé pour souffler la masse fondue générée hors de la fente de coupe. Le gaz sort de la buse coaxialement avec le faisceau laser.
Stries de coupe : lors de la découpe laser, un motif de strie typique s'imprime sur le bord de coupe. A vitesse de coupe faible, ces stries sont pratiquement parallèles au faisceau laser.
Masse fondue : le faisceau laser – de la lumière laser concentrée – se déplace sur le contour de la pièce et provoque une fusion locale de la matière.
Front de coupe : sur la pièce à usiner, la fente de coupe est à peine plus large que le faisceau laser focalisé.
Buse : le faisceau laser et le gaz de coupe sont projetés sur la pièce via la buse de coupe.
Direction de coupe : la fente de coupe est créée par le déplacement de la tête de coupe ou de la pièce à usiner dans une direction donnée.

Les multiples applications dans le domaine de la découpe laser

Presque aucune formation de bavures visible : cette roue dentée démontre l'excellente qualité de pièce que la découpe laser permet d'obtenir, y compris sur une épaisseur de matière assez importante.

Les matières plastiques renforcées par fibre sont le matériau idéal pour la construction allégée. Mais le caractère récalcitrant de cette matière représente un défi pour n'importe quel outil – sauf pour le laser. La construction de prototypes est un secteur où les clients apprécient particulièrement la rapidité et la liberté de forme de l'outil de découpe laser.

De l'acier de construction aux matières fortement réfléchissantes en passant par l'acier inoxydable : le laser peut usiner toutes les matières couramment utilisées dans l'industrie avec un haut niveau de qualité.

A grande vitesse, sans bavure et en trois dimensions : voilà comment le laser découpe les composants formés à chaud, comme les montants B de l'industrie automobile.

Utilisé pour la découpe par fusion, le laser coupe de l'acier inoxydable et de l'acier de construction fin à partir d'une épaisseur de 0,5 millimètre de manière très rapide et économique.

Tôle découpée au laser pour la protection contre la chaleur dans les installations de gaz d'échappement

Même les composants tridimensionnels, comme les tôles calorifuges des systèmes d'échappement, peuvent être découpés précisément au laser.

Découpe laser de matières dures et fragiles comme le verre

Même les matières cassantes comme le verre peuvent être usinées à grande vitesse, avec un bord de coupe poli, à l'aide de machines de découpe laser – sans bavure ni éclat.

BrightLine fiber est la combinaison perfectionnée d'un système optique spécial, de buses à flux optimisé et d'autres innovations techniques. Son avantage : grâce à la grande qualité des bords de coupe, les composants ne s'accrochent pas lors de l'étape de préhension des pièces.

Par rapport aux procédés de découpe mécaniques, le laser permet de fabriquer des couteaux de cuisine plus rapidement, et sans retouche du bord de coupe.

Les lasers à impulsions courtes et ultracourtes découpent des structures extrêmement fines, de l'ordre du micromètre, de manière rapide et économique. C'est ainsi que des aiguilles découpées au laser sont utilisées dans l'industrie horlogère, ou des implants découpés au laser, dans le secteur de la technologie médicale.

Tous les procédés de découpe laser en un coup d'œil

Outil universel, le laser est dans de nombreux cas le choix privilégié pour la découpe de matières métalliques et non métalliques. Le faisceau laser coupe presque n'importe quel contour de manière rapide et flexible – quelles que soient la finesse et la complexité de la forme, et même si l'épaisseur de matière est très faible. Les différents gaz de coupe et niveaux de pression exercent également une influence sur le processus d'usinage et sur le résultat.

Oxycoupage

L'oxycoupage utilise de l'oxygène comme gaz de coupe, qui est soufflé dans la fente de coupe à une pression pouvant atteindre 6 bars. L'oxygène brûle et oxyde le métal fondu. L'énergie libérée par cette réaction chimique renforce l'action du faisceau laser. L'oxycoupage autorise des vitesses de coupe très élevées et permet l'usinage de tôles épaisses et d'acier de construction.

Découpe par fusion

La découpe par fusion utilise de l'azote ou de l'argon comme gaz de coupe. Le gaz est soufflé dans la fente de coupe à une pression comprise entre 2 et 20 bars, mais il ne réagit pas avec la surface du métal, à la différence de l'oxycoupage. Ce procédé de découpe a l'avantage de produire des bords de coupe exempts de bavures et d'oxydation et de ne nécessiter presque aucune retouche.

Découpe laser avec évaporation

La découpe laser par sublimation est utilisée pour les tâches de découpe fine, nécessitant des bords de coupe de très bonne qualité. Dans le cadre de ce procédé, le laser vaporise la matière en réduisant au maximum la fusion. La matière vaporisée génère une pression élevée dans la fente de coupe, laquelle expulse la masse fondue vers le haut et vers le bas. Le gaz de process – azote, argon ou hélium – isole les surfaces de coupe par rapport à l'environnement et permet d'éviter l'oxydation des bords de coupe.

Découpe de précision

La découpe fine au faisceau laser consiste à réaliser des perçages individuels juxtaposés avec de l'énergie laser pulsée ; ces perçages se chevauchent entre 50 et 90 % et forment une fente de coupe. La brièveté des impulsions produit des puissances d'impulsion crête très élevées et des intensité de rayonnement extrêmes sur la surface de la pièce. Avantage : le réchauffement du composant est très faible, ce qui permet de découper des pièces même extrêmement fines sans distorsion thermique.

Paramètres ayant un effet sur le processus de découpe laser

Position focale et diamètre focal

La position focale influence l'intensité du rayonnement et la forme de la fente de coupe sur la pièce à usiner. Le diamètre focal détermine la largeur de fente et également la forme de la fente de coupe.

Puissance laser

Pour dépasser le seuil d'usinage, c'est-à-dire le point à partir duquel la matière commence à fondre, il faut appliquer une certaine énergie sur une surface donnée. Cette énergie est définie par la formule suivante : intensité du rayonnement x durée d'action sur la pièce.

Diamètre de la buse

Le choix de la buse est déterminant pour la qualité des pièces. En effet, du diamètre de la buse dépendent à la fois la forme du flux de gaz et la quantité de gaz.

Mode de fonctionnement

Mode continu ou mode pulsé : le mode de fonctionnement permet de définir si l'énergie du laser est appliquée sur la pièce à usiner en continu ou avec des interruptions.

Vitesse de coupe

La vitesse de coupe est définie en fonction de la tâche de découpe prévue et de la matière à usiner. Le principe est le suivant : plus il y a de puissance laser à disposition, plus la découpe peut être rapide. Par ailleurs, la vitesse de coupe diminue au fur et à mesure que l'épaisseur de la matière augmente. Une vitesse trop élevée ou trop faible pour la matière considérée a pour effet de renforcer la profondeur de rugosité et la formation de bavures.

Degré de polarisation

Presque tous les lasers CO₂ fournissent de la lumière laser à polarisation linéaire. Pour la découpe de contours, le résultat varie en fonction de la direction de coupe : si la lumière oscille parallèlement à la direction de coupe, le bord sera lisse. Si la lumière oscille perpendiculairement à la direction de coupe, une bavure se forme. C'est pourquoi la lumière laser à polarisation linéaire est en général transformée en lumière à polarisation circulaire. Le degré de polarisation indique dans quelle mesure la polarisation circulaire recherchée a été atteinte ; il est décisif pour la qualité de coupe. Dans le cas des lasers à solide, il n'est pas nécessaire de modifier la polarisation : ils fournissent des résultats de coupe indépendants de la direction.

Gaz de coupe et pressions de coupe

Différents gaz de process sont utilisés en fonction du procédé de découpe ; ils sont soufflés à des pressions variables à travers la fente de coupe. L'argon et l'azote présentent par exemple l'avantage de ne pas entrer en réaction avec le métal fondu dans la fente de coupe. Ils isolent également la surface de coupe par rapport à l'environnement.

Découpe laser avec mélange gazeux

En combinaison avec une puissance laser élevée, l'utilisation d'un mélange gazeux d'azote et d'oxygène peut entraîner une réduction des bavures dans l'acier de construction et l'aluminium. L'amélioration de la qualité des pièces dépend du type de matière, de l'alliage et de la qualité de la matière dans les tôles épaisses de six à douze millimètres.

Découvrez la diversité des procédés de coupe

Oxycoupage

Le procédé standard pour l’acier de construction.

Fraise pour la fabrication de cupules de hanche

Découpe par fusion

Le procédé de découpe pour tous les matériaux fusibles.

Stent découpé au laser, TruMicro Série 2000

Découpe laser avec évaporation

Des bords de coupe précis pour des tâches de coupes filigranes.

Perçage

Le faisceau laser génère des trous, petits et grands, sans contact.

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