Découpe laser : matériaux, types et applications

« Le processus de découpe au laser transforme les matériaux en designs complexes avec la plus grande précision et exactitude. Il offre des finitions lisses de haute qualité qui nécessitent peu ou pas de post-traitement. 

Découpe laser est un processus CNC qui utilise une puissance laser à haute énergie pour couper différents matériaux. Cette technique produit un faisceau lumineux concentré en stimulant un matériau laser avec une décharge électrique dans un récipient fermé. L'optique est utilisée pour concentrer le faisceau laser sur la pièce à usiner, ce qui permet de couper par fusion, vaporisation ou combustion. La technologie CNC régule le mouvement exact du faisceau laser. 

Cet article abordera en détail la technologie de découpe laser, y compris les matériaux, les types et les utilisations. 

Matériaux utilisés dans la découpe laser

La découpe laser est une technique polyvalente utilisée sur divers matériaux tels que le papier, le bois, le métal et la roche. Cependant, sa principale application réside dans la fabrication de tôles, notamment pour matériaux de découpe laser comme;

• Découpe laser aluminium 
• Découpe laser de l'acier
• découpe laser en acier doux
• Découpe laser en acier inoxydable 
• Découpe laser cuivre 
• Découpe laser du laiton

Avantages et limites de la découpe laser

Les découpeuses laser sont idéales pour manipuler des tôles fines, avec une épaisseur maximale allant généralement jusqu'à 6 mm pour l'aluminium et 15 mm pour l'acier. Ils peuvent maintenir la précision avec des tolérances de 0, 2 à 0, 1 mm. De même, il existe de nombreux autres avantages de la découpe laser.

Le processus aboutit à une petite zone affectée par la chaleur. Ainsi, le besoin d’un traitement thermique supplémentaire après traitement est réduit. La découpe laser est unique parmi d'autres méthodes de découpe de tôle en raison de sa précision et de sa polyvalence dans différents matériaux, même si elle n'est pas aussi polyvalente que la découpe au jet d'eau. L'usinage au laser est le plus populaire en raison de son adaptabilité des matériaux, de sa précision et de sa capacité à effectuer à la fois des tâches de découpe et de gravure, impossibles avec la découpe au jet d'eau. En plus, frais de découpe laser sont généralement moins chers que la découpe au jet d’eau.

Trois types de lasers pour la découpe

La technologie laser remplit de nombreuses fonctions, telles que la découpe, le perçage et la gravure, qui sont déterminées par des facteurs tels que la puissance du laser, le matériau principal utilisé pour générer le faisceau laser et le matériau traité. L'usinage laser est le principal procédé de production de pièces en tôle. 

Différents types de techniques de découpe laser existent, notamment le CO2 (lasers à gaz), les lasers à fibre et le Nd:YAG ou Nd:YVO (lasers à cristaux de vanadate) sont des exemples de lasers. Ces lasers utilisent des longueurs d'onde continues et différentes techniques pour stimuler le laser, soit en utilisant un mélange gazeux chargé électriquement, soit en utilisant des diodes physiques.

1. Laser CO2

Découpe laser CO2

Un laser CO2 envoie de l'électricité à travers un tube rempli d'un mélange gazeux pour produire des faisceaux lumineux. Le tube est doté de miroirs aux deux extrémités, dont l'un est entièrement réfléchissant et l'autre partiellement réfléchissant, pour laisser passer un peu de lumière. Le mélange gazeux comprend généralement du dioxyde de carbone, de l’azote, de l’hydrogène et de l’hélium, qui à leur tour produisent une lumière invisible dans la gamme infrarouge lointain du spectre lumineux. 

Bien que les lasers CO2 industriels puissent atteindre plusieurs kilowatts de puissance (bien que celles-ci soient moins courantes), l'usinage habituel des lasers CO2 varie de 25 à 100 watts avec une longueur d'onde de 10.6 micromètres. Ces lasers sont généralement utilisés pour travailler le bois, le papier et les plastiques acryliques (e). g. , Polyméthylméthacrylate), le cuir, le tissu, le papier peint et certains aliments comme le fromage, les châtaignes et les plantes. 

Les lasers CO2 sont principalement utilisés pour les matériaux non métalliques, mais peuvent également traiter certains métaux, tels que de fines feuilles d'aluminium et d'autres métaux non ferreux. L'augmentation de la teneur en oxygène peut renforcer la puissance du faisceau de CO2, mais les utilisateurs expérimentés doivent le faire pour éviter d'éventuels risques.

2. Laser à fibre

Les lasers à fibre, qui font partie de la catégorie des lasers à semi-conducteurs, utilisent un laser à germes et amplifient le faisceau à travers des fibres de verre alimentées par des diodes de pompe. Ils fonctionnent à une longueur d'onde d'environ 1. Le diamètre focal de la lentille est de 064 micromètres, ce qui signifie qu'elle est très petite. Habituellement, les lasers à fibre sont les plus chers de tous les appareils de découpe laser. 

Les lasers à fibre nécessitent peu d'entretien et ont une durée de vie d'au moins 25,000 100 heures laser, ce qui est plus long que la durée de vie des autres types de laser. Ils génèrent des faisceaux puissants et stables capables de résister à des intensités 2 fois supérieures à celles des lasers COXNUMX avec la même puissance moyenne. En outre, les lasers à fibre ont différents modes de fonctionnement, comme des faisceaux continus, des réglages quasi-pulsés ou pulsés, ce qui les rend adaptables. 

Un MOPA, un sous-type de laser à fibre, peut ajuster la durée des impulsions, ce qui le rend adapté à diverses applications. Les lasers à fibre sont les meilleurs dans le domaine du marquage des métaux grâce au recuit, à la gravure et au marquage des thermoplastiques. Ils conviennent aux métaux, alliages et non-métaux tels que le verre, le bois et les plastiques. Bien qu'ils soient parfaits pour les matériaux minces, les lasers à fibre peuvent être utilisés pour une variété de matériaux en fonction de la puissance, mais les matériaux plus épais peuvent nécessiter des machines plus puissantes.

3. Lasers Nd:YAG/Nd:YVO

Les lasers Nd:YAG et Nd:YVO sont tous deux des technologies à base de cristaux, et le Nd:YVO (ortho-vanadate d'yttrium dopé au néodyme) est largement utilisé pour son infaillibilité. Ces lasers offrent une puissance de coupe élevée mais sont relativement coûteux en raison de leur coût d'installation initial. De plus, ils ont une durée de vie limitée (8,000 15,000 à XNUMX XNUMX heures). Les diodes de pompe sont également à l’origine d’une augmentation des dépenses totales.  

Ces appareils fonctionnent à une longueur d'onde de 1.064 micromètres. Les lasers Nd:YAG/Nd:YVO sont utilisés dans de nombreux domaines d'ingénierie tels que la médecine, la dentisterie, l'armée et la fabrication. Le Nd:YVO, en revanche, a une absorption de pompe plus élevée, une bande passante plus large, mais une durée de vie à l'état supérieur plus courte que le Nd:YAG. Cependant, le Nd:YAG permet l'utilisation d'énergies d'impulsion plus élevées et la durée de vie est normalement supérieure à celle du Nd:YAG. 

De plus, ces lasers sont capables de traiter à la fois les métaux et les non-métaux avec ou sans revêtement, comme les plastiques de qualité technique et, dans certains cas, la céramique. Les cristaux Nd:YVO4 peuvent être mélangés avec des cristaux à coefficient NLO élevé pour modifier les résultats de sortie du proche infrarouge au vert, au bleu ou aux UV.

La substitution des ions yttrium, gadolinium ou lutétium par des ions de terres rares actifs au laser n'affecte pas beaucoup la structure du réseau. La conductivité thermique élevée des matériaux dopés est donc maintenue.

Défauts courants de qualité de découpe laser des métaux et mesures préventives

Voici un bref aperçu de quelques défauts courants rencontrés lors de tôle découpée au laser.

1. Formation de bavures

Formation de bavures 

Lors de la découpe laser, les bavures peuvent apparaître sous forme de bords surélevés ou de surfaces rugueuses sur les pièces découpées, affectant ainsi à la fois l'apparence et la fonction des pièces. Ce problème peut être dû à des facteurs tels qu'une mise au point laser incorrecte, une vitesse de coupe trop élevée ou une pression du gaz d'assistance trop faible. 

2. Mesures préventives 

Le laser doit être ajusté à la focalisation laser et à la qualité de faisceau maximales pour obtenir les meilleures performances de coupe. 

• La position de mise au point laser, la densité de puissance et la vitesse d'avance de la machine sont ajustées pour obtenir des coupes nettes. 
• Utilisez le bon gaz d'assistance (par exemple, azote, dioxyde de carbone, azote) et maintenez la pression au bon niveau pour aider à éliminer le métal en fusion. 

 3. Zone affectée par la chaleur (ZAT)

La découpe au laser produit de la chaleur, ce qui provoque une zone affectée par la chaleur le long du bord coupé. Cette zone peut modifier les propriétés du matériau, ce qui peut avoir un impact sur les performances de la pièce. 

Mesures préventives:

• Les paramètres de coupe tels que la densité de puissance laser, la vitesse de coupe et la mise au point doivent être optimisés pour réduire l'apport de chaleur. 
• Utilisez des équipements avancés du plus haut niveau de contrôle optimal des paramètres, tels que les buses, les lentilles de mise au point et la lumière. 
• Envisagez des traitements post-découpe tels que le recuit ou la réduction des contraintes pour réduire les effets HAZ et préserver l'intégrité du matériau.

4. L’adhérence des scories ou des scories  

Les scories ou scories, le matériau fondu qui se solidifie sur la surface inférieure de la coupe, peuvent affecter la qualité de la coupe et ont donc tendance à nécessiter un nettoyage après la coupe.  

Mesures préventives:

• Les paramètres de coupe doivent être optimisés pour réduire les scories, par exemple en modifiant la vitesse de coupe ou en augmentant la pression du gaz d'assistance. 
• La composition du gaz et le débit appropriés pour l’expulsion du matériau fondu doivent être utilisés. 
•  L'emploi de techniques de nettoyage après découpe (par exemple essuyer la lame avec un chiffon) est indispensable pour garantir la sécurité de l'utilisateur. g. , meulage, sablage) pour éliminer les crasses adhérentes, notamment après soudage laser pour la longévité de la machine. 

 5. Rugosité des bords ou stries

La découpe laser peut entraîner des bords rugueux ou irréguliers, affectant ainsi l'esthétique et la fonctionnalité de la pièce.  

Mesures de prévention :

• Ajustez les paramètres de coupe de la machine (puissance, vitesse, vitesse d'avance, pression du gaz d'assistance) pour obtenir des coupes douces. 
• L'utilisation d'optiques de haute qualité et le contrôle précis des paramètres de processus sur la machine de découpe laser sont essentiels pour éviter ces problèmes. défauts de découpe laser.
•  Les traitements post-coupe (par exemple application d'une lotion, utilisation d'une crème hydratante, etc.) doivent être effectués après la coupe. g. , ébavurage, polissage) selon les besoins pour une meilleure qualité des bords. 

6. Décoloration du matériau

De plus, le processus peut décolorer ou oxyder les bords, affectant l'apparence et la qualité de surface de la pièce. 

Mesures de prévention :

Ajustez les paramètres de coupe pour réduire l’apport de chaleur et donc la décoloration (e). g. , puissance, position de mise au point laser, vitesse). 

• L’utilisation du bon gaz d’assistance pour protéger le matériau de l’oxydation pendant la coupe est la clé. 
• Les traitements post-coupe (par exemple antibiotiques) sont des mesures supplémentaires prises après la coupe pour prévenir l'infection, la passivation et améliorer les revêtements de surface. Ces méthodes sont utilisées pour rendre l’objet esthétiquement attrayant et pour arrêter l’oxydation.

  7. Le processus de déformation ou de distorsion

La découpe laser de matériaux fins avec une puissance élevée peut entraîner une déformation en raison de la chaleur intense. 

Mesures de prévention :

• L’utilisation d’une découpeuse laser à haute puissance et fréquence d’impulsion contribuera à réduire l’apport de chaleur et donc le risque de déformation. 
• Assurez-vous d'utiliser le bon serrage ou le bon dispositif de fixation pour réduire le mouvement du matériau pendant la coupe.

8. Variation de la largeur du trait de scie

Trait de coupe laser

La largeur de saignée, qui est très importante pour la précision des dimensions et de l'ajustement, doit être la même pour éviter les impacts négatifs sur les surfaces de coupe et les coutures. 

Mesures préventives:

• Vérifiez l’alignement et l’étalonnage des machines laser. 
• La lentille et la source laser doivent être vérifiées régulièrement pour garantir que la qualité du faisceau est toujours constante. 
• Des systèmes de rétroaction en boucle fermée pour la surveillance et l'ajustement en temps réel des paramètres de coupe afin de maintenir la largeur de saignée constante devraient être mis en œuvre.

9. Le processus de resolidification des matériaux 

L'usinage au laser peut parfois conduire à une resolidification ou à une refusion du matériau le long des bords coupés, ce qui entraîne à son tour des surfaces rugueuses. 

Mesures préventives:

• Les paramètres de découpe tels que la position du foyer laser, la puissance et la vitesse doivent être optimisés pour réduire les risques de resolidification ou de refusion. 
• Choisissez la composition du gaz d’assistance et le débit appropriés pour faciliter l’élimination du matériau fondu. 
• Utilisez des traitements post-coupe (par exemple en appliquant une crème hydratante ou une pommade cicatrisante) après la coupe. g. , meulage, ponçage) pour rendre les surfaces rugueuses lisses. 

10. Optimisation de la composition des gaz

Pour obtenir les meilleurs résultats de coupe, les différents matériaux nécessitent des compositions de gaz particulières. Une mauvaise composition de gaz peut entraîner de mauvaises coupes, une augmentation des scories ou un apport de chaleur excessif. 

Mesures de prévention :

Les spécifications des matériaux et les directives du fabricant doivent être consultées pour connaître la composition du gaz appropriée. 

• Modifier la composition du gaz si nécessaire, par exemple en utilisant un mélange azote-oxygène pour l'inox. découpe laser de l'acier. 
• La composition du gaz doit être régulièrement vérifiée et maintenue pour en assurer l'exactitude et la cohérence. 

Applications industrielles de la découpe laser

Le tranchant applications de découpe laser sont si répandus dans les industries de fabrication de matériaux. Voici quelques industries courantes utilisant le laser CNC mentionnées ci-dessous ;

1. Industrie automobile

La découpe laser est devenue un outil indispensable pour l'industrie automobile car elle offre précision et flexibilité pour produire une large gamme de composants intérieurs automobiles. Les tolérances strictes de cette industrie sont parfaitement respectées par la technologie laser. Par conséquent, son applicabilité dans la création de pièces complexes et dans les modèles de conception est inestimable et impossible à réaliser par les méthodes conventionnelles d’estampage ou de découpe. Les tôles découpées au laser sont utilisées dans l'industrie automobile pour fabriquer différents articles tels que des pièces automobiles, des composants, des pièces moulées sous pression, des pièces forgées et des emboutis. 

2. Industrie des dispositifs médicaux

L'industrie des dispositifs médicaux utilise la découpe laser pour fabriquer des produits nécessaires tels que des stimulateurs cardiaques, des stents et des cathéters. Les faisceaux laser fondent, vaporisent ou brûlent le matériau avec précision, fournissant ainsi des coupes nettes et précises essentielles aux conceptions complexes requises dans les dispositifs médicaux. Les spécifications du matériau et du produit final déterminent la méthode de découpe laser à utiliser ; les composants en acier inoxydable sont généralement découpés avec des lasers CO2, tandis que les plastiques sont généralement découpés avec des lasers à fibre.

3. Industrie de la beauté 

  L'industrie de la bijouterie, chargée d'histoire, a adopté la technologie de découpe laser pour changer son savoir-faire. La découpe au laser, qui était auparavant réalisée manuellement, a désormais rendu la conception de bijoux plus précise et plus complexe. Cette technologie permet de créer des motifs complexes sur les métaux, de tailler des pierres précieuses et de graver du texte ou des images sur des bijoux. Les bijoux les plus courants tels que les bagues, les pendentifs, les boucles d'oreilles et les bracelets font partie de ceux créés par découpe laser. L'industrie a donc trouvé une nouvelle façon d'être créatif et de concevoir des bijoux.

4. Fabrication de céramique 

 La fabrication de céramique est le processus de mise en forme et de cuisson de matériaux céramiques pour produire différents produits. La découpe au laser est le facteur le plus important dans ce processus car elle permet d'obtenir les formes exactes et les designs complexes de la céramique. Découpe laser CO2, célèbre pour sa précision et sa rapidité, est la méthode la plus populaire pour réaliser des éléments décoratifs, des carreaux, des poteries et des sculptures aux motifs complexes. Cette technologie a rendu le processus de production de céramique plus rapide et plus facile, ce qui a permis de créer des designs complexes à grande vitesse.

5. Industrie du silicium

La découpe laser est un outil crucial dans l'industrie du silicium, en particulier dans la production de tranches de silicium. Ces plaquettes sont généralement largement utilisées dans la fabrication d'appareils électroniques. En général, les lasers CNC CO2 sont essentiels pour façonner ces caractéristiques complexes des plaquettes. Voici quelques exemples de base : composants de circuits intégrés, de cellules solaires et de puces semi-conductrices.

6. Industrie de l'emballage

Les entreprises d'emballage utilisent la CNC machines de découpe laser pour la production de différents produits d'emballage tels que des boîtes, des conteneurs et des couvercles. Deux principaux types de technologies de découpe laser sont utilisés : les lasers CO2 sont utilisés pour découper le carton, le papier et les plastiques fins, tandis que les lasers à fibre sont utilisés pour les matériaux d'emballage plus épais et plus durs. Ces technologies sont la raison pour laquelle il est désormais possible de produire les solutions d'emballage exactes et efficaces dont l'industrie a besoin, elles sont ainsi en mesure de répondre aux exigences de durabilité et de personnalisation. Le processus d'emballage est la procédure consistant à couvrir les produits pour leur sécurité et leur transport. La découpe laser est le principal outil de production de produits d'emballage tels que des boîtes, des conteneurs et des couvercles. Deux principales technologies de découpe laser sont utilisées : les lasers CO2 sont utilisés pour le carton, le papier et les plastiques fins, et les lasers à fibre sont utilisés pour les matériaux plus épais.

7. Industrie de la fabrication métallique

Ces secteurs sont fortement dépendants des avancées technologiques, notamment dans le domaine de la découpe laser. Le travail des métaux est le processus de façonnage du métal à l'aide de divers outils. La découpe laser est le processus principal de production de poutres, de colonnes, de tuyaux, de tubes et de tôles pour des industries telles que la construction, l'automobile et l'aérospatiale. 

Services de découpe laser CNC de précision chez Prolean

La découpe laser CNC nécessite des lasers puissants et des protocoles de sécurité stricts pour l'assurance qualité, mais peut entraîner des coûts initiaux élevés. L'externalisation vers des professionnels expérimentés comme Pro-lean, qui adhèrent aux normes ISO 9001:2015, garantit des services de fabrication de premier ordre avec une attention aux détails et des délais d'exécution rapides. Notre avancé prestations de découpe laser répondre aux diverses exigences du projet, en fournissant toujours des résultats de qualité supérieure. 

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résumer 

La découpe laser est devenue un outil indispensable dans de nombreuses industries manufacturières. La découpe laser de la tôle a modifié la fabrication, rendant ainsi la production de pièces métalliques au design complexe très efficace et polyvalente. Les conseils donnés améliorent la productivité de vos projets de découpe laser. 

Le processus est très flexible car il peut couper des tôles de différentes épaisseurs, des feuilles minces aux plaques épaisses. Sa flexibilité est la raison pour laquelle il est utilisé dans différentes industries telles que l’automobile, l’aérospatiale, l’électronique et autres.

Questions fréquentes

T1. Combien coûte la découpe laser ?

Les services de découpe et de gravure au laser sont payés à 1 £ par minute de temps de production. Par exemple, un travail de 30 minutes coûterait 30 £ plus les frais supplémentaires pour le matériel et la configuration des illustrations. Un travail d'une heure coûterait 60 £. En fonction de leur intensité et de leur complexité, des réductions peuvent être accordées pour les travaux plus importants.

Q2. Quelle est la précision de la découpe laser ?

La découpe laser a une précision dimensionnelle remarquable, généralement à ±0. 5 pouces, avec une largeur de coupe mince ou un trait de scie aussi fin que 0. 004 pouces, résultat de la puissance du laser et de l'épaisseur du matériau. La capacité de la technologie à se concentrer jusqu'à 10-20 microns montre sa capacité à réaliser des travaux complexes et détaillés, ce qui est très important dans les industries aérospatiale, électronique et automobile, où la précision est la clé.

Q3. Quelle est la différence entre la découpe laser et la découpe plasma ?

La découpe laser est la découpe la plus rapide, la plus précise et présente les meilleures finitions de surface par rapport à la découpe plasma. Il est doué pour réaliser des coupes complexes et des conceptions détaillées. Néanmoins, les machines de découpe plasma nécessitent moins d’entretien et sont généralement plus économiques que les équipements de découpe laser.

Q4. Considérations de conception pour une précision de découpe laser optimale ?

La procédure permettant d'obtenir les découpes laser correctes repose sur le choix des bons matériaux, la compréhension des capacités de votre découpeuse laser et l'élimination des problèmes liés à la chaleur dans vos conceptions. Concevez la séquence de coupe, utilisez des guides pour plus de précision et assurez-vous que les réglages sont optimaux et que la machine est bien entretenue pour la même précision. Les opérateurs qui sont en charge de l'ajustement des paramètres et des procédures pour obtenir les niveaux de précision souhaités sont les plus qualifiés.