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La découpe au laser est une technologie qui utilise un laser pour couper des matériaux. Elle est généralement utilisée pour des applications de fabrication industrielle, mais elle commence également à être utilisée par les écoles, les petites entreprises et les amateurs. La découpe au laser fonctionne en dirigeant la sortie d'un laser de haute puissance le plus souvent à travers l'optique. L'optique laser et la commande numérique par ordinateur (CNC) sont utilisées pour diriger le matériau ou le faisceau laser généré. Un laser commercial typique pour couper des matériaux impliquerait un système de contrôle de mouvement pour suivre une CNC ou un code G du motif à découper sur le matériau. Le faisceau laser focalisé est dirigé vers le matériau qui, soit fond, soit brûle, se vaporise, soit est emporté par un jet de gaz [1], laissant un bord avec une finition de surface de haute qualité. Les découpeuses laser industrielles sont utilisées pour couper les matériaux plats ainsi que les matériaux structuraux et de tuyauterie.
Il existe trois principaux types de lasers utilisés dans la découpe au laser. Le laser CO2 est adapté pour la découpe, l'alésage et la gravure. Les lasers au néodyme (Nd) et au néodyme-yttrium-aluminium-grenat (Nd-YAG) sont de style identique et ne diffèrent que par l'application. Nd est utilisé pour aléser et où une énergie élevée mais une faible répétition sont nécessaires. Le laser Nd-YAG est utilisé là où une très grande puissance est nécessaire et pour aléser et graver. Les lasers CO2 et Nd / Nd-YAG peuvent être utilisés pour le soudage. [7]
Les variantes courantes des lasers à CO2 comprennent l'écoulement axial rapide, l'écoulement axial lent, l'écoulement transversal et la dalle.
Les lasers au CO2 sont généralement "pompés" en faisant passer un courant à travers le mélange gazeux (excité en courant continu) ou en utilisant une énergie radiofréquence (excitée par RF). La méthode RF est plus récente et est devenue plus populaire. Puisque les conceptions à courant continu nécessitent des électrodes à l'intérieur de la cavité, elles peuvent rencontrer une érosion des électrodes et un placage du matériau de l'électrode sur la verrerie et l'optique. Puisque les résonateurs RF ont des électrodes externes, ils ne sont pas sujets à ces problèmes.
Les lasers à CO2 sont utilisés pour la découpe industrielle de nombreux matériaux, y compris l'acier doux, l'aluminium, l'acier inoxydable, le titane, les panneaux de particules, le papier, la cire, les plastiques, le bois et les tissus. Les lasers YAG sont principalement utilisés pour couper et tracer des métaux et des céramiques.
En plus de la source d'alimentation, le type de flux de gaz peut également affecter les performances. Dans un résonateur à écoulement axial rapide, le mélange de dioxyde de carbone, d'hélium et d'azote circule à grande vitesse par une turbine ou une soufflante. Les lasers à écoulement transversal font circuler le mélange gazeux à une vitesse plus faible, nécessitant une soufflante plus simple. Les résonateurs refroidis par plaques ou par diffusion ont un champ de gaz statique qui ne nécessite aucune mise sous pression ni verrerie, ce qui permet de réaliser des économies sur les turbines et la verrerie de remplacement.
Le générateur laser et les optiques externes (y compris la lentille de mise au point) nécessitent un refroidissement. Selon la taille et la configuration du système, la chaleur perdue peut être transférée par un liquide de refroidissement ou directement à l'air. L'eau est un liquide de refroidissement couramment utilisé, généralement mis en circulation à travers un refroidisseur ou un système de transfert de chaleur.
Un microjet laser est un laser guidé par jet d'eau dans lequel un faisceau laser pulsé est couplé dans un jet d'eau à basse pression. Ceci est utilisé pour effectuer des fonctions de découpe laser tout en utilisant le jet d'eau pour guider le faisceau laser, tout comme une fibre optique, à travers la réflexion interne totale. Les avantages de ceci sont que l'eau enlève également des débris et refroidit le matériel. Des avantages supplémentaires par rapport à la découpe laser "sèche" traditionnelle sont les vitesses de découpe élevées, la saignée parallèle et la coupe omnidirectionnelle.
Les lasers à fibre sont un type de laser à l'état solide qui se développe rapidement dans l'industrie de la coupe des métaux. Contrairement au CO2, la technologie Fibre utilise un milieu de gain solide, par opposition à un gaz ou un liquide. Le "laser à graines" produit le faisceau laser et est ensuite amplifié dans une fibre de verre. Avec une longueur d'onde de seulement 1.064 micromètres, les lasers à fibre produisent une taille de point extrêmement petite (jusqu'à 100 fois plus petite par rapport au CO2), ce qui le rend idéal pour couper des matériaux métalliques réfléchissants. C'est l'un des principaux avantages de la fibre par rapport au CO2.
Il existe généralement trois configurations différentes de machines de découpe laser industrielles: les matériaux mobiles, les systèmes hybrides et les systèmes optiques volants. Celles-ci se rapportent à la façon dont le faisceau laser est déplacé sur le matériau à couper ou à traiter. Pour tout cela, les axes de mouvement sont typiquement désignés par les axes X et Y. Si la tête de coupe peut être contrôlée, elle est désignée comme l'axe Z.
Les lasers à matériau mobile ont une tête de coupe stationnaire et déplacent le matériau en dessous. Cette méthode permet d'obtenir une distance constante entre le générateur laser et la pièce à usiner et un seul point pour éliminer l'effluent de coupe. Il nécessite moins d'optique, mais nécessite de déplacer la pièce. Cette machine de style a tendance à avoir le moins d'optiques de livraison de faisceau, mais a aussi tendance à être la plus lente.
Les lasers hybrides fournissent une table qui se déplace dans un axe (généralement l'axe X) et déplace la tête le long de l'axe le plus court (Y). Ceci conduit à une longueur de trajet de délivrance de faisceau plus constante qu'une machine optique volante et peut permettre un système de délivrance de faisceau plus simple. Cela peut entraîner une perte de puissance réduite dans le système de distribution et une capacité par watt supérieure à celle des machines optiques volantes.
Les lasers optiques volants comportent une table stationnaire et une tête de coupe (avec faisceau laser) qui se déplace sur la pièce dans les deux dimensions horizontales. Les dispositifs de coupe à optique volante maintiennent la pièce à usiner pendant le traitement et ne nécessitent souvent pas de serrage de matériau. La masse en mouvement est constante, donc la dynamique n'est pas affectée par la taille variable de la pièce. Les machines optiques volantes sont les plus rapides, ce qui est avantageux pour la coupe de pièces plus minces. [11]
Les machines optiques volantes doivent utiliser une certaine méthode pour prendre en compte la longueur de faisceau changeante de la coupe à proximité du champ (près du résonateur) à la coupe du champ lointain (loin du résonateur). Les méthodes courantes pour contrôler cela incluent la collimation, l'optique adaptative ou l'utilisation d'un axe de longueur de faisceau constant.
Des machines à cinq et six axes permettent également de découper des pièces formées. En outre, il existe diverses méthodes pour orienter le faisceau laser vers une pièce façonnée, en maintenant une distance de mise au point et une distance de buse appropriées, etc.
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