La découpe au laser est une technologie qui utilise un laser pour vaporiser les matériaux, ce qui donne un bord coupé. Les découpeurs laser de métaux sont un élément essentiel des ateliers d’usinage et des usines du monde entier, mais les nouveaux découpeurs laser, plus compacts, se trouvent également dans les petites entreprises de métallurgie, les cabinets d’architectes et même les garages de bricoleurs, pour tous ceux qui ont besoin de découper plusieurs tôles, tuyaux et tiges, dans des matériaux allant de l’acier inoxydable à l’aluminium.
Le principe de la découpe laser
Le faisceau laser est généralement focalisé à l’aide d’une lentille de haute qualité sur la zone de travail. La qualité du faisceau a un impact direct sur la taille du point focalisé. La partie la plus étroite du faisceau focalisé a généralement un diamètre inférieur à 0,0125 pouce (0,32 mm). En fonction de l’épaisseur du matériau, des largeurs de trait de scie aussi petites que 0,004 pouces (0,10 mm) sont possibles[6]. Afin de pouvoir commencer la découpe ailleurs que sur le bord, un perçage est effectué avant chaque coupe. Le perçage implique généralement un faisceau laser pulsé de haute puissance qui fait lentement un trou dans le matériau, ce qui prend environ 5 à 15 secondes pour de l’acier inoxydable de 0,5 pouce (13 mm) d’épaisseur, par exemple.
Les rayons parallèles de lumière cohérente provenant de la source laser ont souvent un diamètre compris entre 1,5 et 2 mm (0,06-0,08 pouces). Ce faisceau est normalement focalisé et intensifié par une lentille ou un miroir en un très petit point d’environ 0,025 mm (0,001 pouce) pour créer un faisceau laser très intense. Afin d’obtenir la finition la plus lisse possible lors de la découpe de contours, la direction de polarisation du faisceau doit être tournée lorsqu’il parcourt la périphérie d’une pièce profilée. Pour la découpe de la tôle, la distance focale est généralement de 1,5-3 pouces (38-76 mm)[7].
Les avantages de la découpe au laser par rapport à la découpe mécanique incluent un maintien plus facile de la pièce et une contamination réduite de la pièce (puisqu’il n’y a pas de bord de coupe qui peut être contaminé par le matériau ou contaminer le matériau). La précision peut être meilleure, puisque le faisceau laser ne s’use pas pendant le processus. Le risque de déformation du matériau découpé est également réduit, car les systèmes laser ont une petite zone affectée par la chaleur[8]. Certains matériaux sont également très difficiles ou impossibles à découper par des moyens plus traditionnels.
Les trois types de découpe laser
Il existe trois principaux types de lasers utilisés pour la découpe laser. Le laser CO2 est adapté à la découpe, à l’alésage et à la gravure. Les lasers au néodyme (Nd) et au néodyme-yttrium-aluminium-grenat (Nd:YAG) sont de style identique et ne diffèrent que par leur application. Le Nd est utilisé pour l’alésage et là où une énergie élevée mais une faible répétition sont requises. Le laser Nd:YAG est utilisé lorsqu’une puissance très élevée est nécessaire et pour l’alésage et la gravure. Les lasers CO2 et Nd/Nd:YAG peuvent tous deux être utilisés pour le soudage.
Les lasers CO2 sont généralement « pompés » en faisant passer un courant à travers le mélange gazeux (excité en courant continu) ou en utilisant l’énergie des radiofréquences (excité en RF). La méthode RF est plus récente et est devenue plus populaire. Comme les modèles à courant continu nécessitent des électrodes à l’intérieur de la cavité, ils peuvent être confrontés à l’érosion des électrodes et au placage du matériau des électrodes sur la verrerie et les optiques. Comme les résonateurs RF ont des électrodes externes, ils ne sont pas sujets à ces problèmes. Les lasers CO2 sont utilisés pour la découpe industrielle de nombreux matériaux, notamment le titane, l’acier inoxydable, l’acier doux, l’aluminium, le plastique, le bois, le bois d’ingénierie, la cire, les tissus et le papier. Les lasers YAG sont principalement utilisés pour la découpe et le traçage des métaux et des céramiques.
En plus de la source d’énergie, le type de flux gazeux peut également affecter les performances. Les variantes courantes des lasers CO2 comprennent le flux axial rapide, le flux axial lent, le flux transversal et la dalle. Dans un résonateur à flux axial rapide, le mélange de dioxyde de carbone, d’hélium et d’azote est mis en circulation à grande vitesse par une turbine ou un ventilateur. Les lasers à flux transversal font circuler le mélange gazeux à une vitesse plus faible, ce qui nécessite une soufflante plus simple. Les résonateurs refroidis par dalle ou par diffusion ont un champ gazeux statique qui ne nécessite ni pressurisation ni verrerie, ce qui permet de réaliser des économies sur le remplacement des turbines et de la verrerie.
Le générateur laser et les optiques externes (y compris la lentille de focalisation) doivent être refroidis. Selon la taille et la configuration du système, la chaleur perdue peut être transférée par un liquide de refroidissement ou directement dans l’air. L’eau est un liquide de refroidissement couramment utilisé, généralement mis en circulation par un refroidisseur ou un système de transfert de chaleur.
Un microjet laser est un laser guidé par un jet d’eau dans lequel un faisceau laser pulsé est couplé à un jet d’eau à basse pression. Il est utilisé pour effectuer des fonctions de découpe au laser tout en utilisant le jet d’eau pour guider le faisceau laser, un peu comme une fibre optique, par réflexion interne totale. L’avantage de cette méthode est que l’eau élimine également les débris et refroidit le matériau. Les autres avantages par rapport à la découpe laser « sèche » traditionnelle sont les vitesses de découpe élevées, le kerf parallèle et la découpe omnidirectionnelle.
Les lasers à fibre sont un type de laser solide qui connaît une croissance rapide dans l’industrie de la découpe des métaux. Contrairement au CO2, la technologie de la fibre utilise un milieu de gain solide, par opposition à un gaz ou un liquide. Le « laser de départ » produit le faisceau laser, qui est ensuite amplifié dans une fibre de verre. Avec une longueur d’onde de seulement 1064 nanomètres, les lasers à fibre produisent une taille de spot extrêmement petite (jusqu’à 100 fois plus petite que celle du CO2), ce qui les rend idéaux pour la découpe de matériaux métalliques réfléchissants. C’est l’un des principaux avantages de la fibre par rapport au CO2.