La découpe laser : principes, techniques et typologie
La découpe laser est une technique de grande précision qui utilise un laser pour découper la matière. Elle permet de travailler sur de nombreux matériaux, avec une grande précision et une certaine rapidité. Elle a ainsi l’avantage de se destiner à un grand nombre de secteurs industriels, artisanaux et commerciaux.
Qu'est-ce que la découpe laser ?
La découpe laser est un procédé thermique qui consiste à découper une matière grâce à un laser puissant qui concentre une grande quantité d’énergie sur une très petite surface au moyen d’une lentille. Le faisceau entre en contact avec la matière et la fait fondre.
Le procédé agit en deux phases :
- L’absorption : une particule passe d’un niveau d’énergie stable à un niveau d’énergie instable sous l’effet d’une excitation extérieure.
- L’émission spontanée : un photon agit sur la particule instable et provoque son retour à un niveau stable. Cela suscite l’émission d’un second photon. Une réaction en chaîne peut se produire sur les atomes voisins.
- Le fait de ré-injecter une partie de la lumière émise crée une amplification. L’amplificateur comprend un miroir réfléchissant la totalité de l’énergie, puis un second qui n’en laisse passer qu’une partie, le rayon laser.
Cette technique dérive du procédé de découpe avec gaz d’assistance créé par Peter Houldcroft en 1967. Elle ne cesse d’évoluer en termes de matériaux découpés, d’épaisseur de coupe et de qualité du rendu. Le laser (ou Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) agit par la déviation d’un électron de son orbite vers une orbite plus élevée. L’électron restitue l’énergie absorbée sous forme de rayonnement lumineux, le photon, pour revenir à son état initial.
Le laser utilise une propriété de l’atome découverte par le physicien Albert Einstein en 1917 puis développée par le physicien Théodore Maiman en 1960. Cette technologie se destine principalement à la production industrielle de type chaudronnerie, tôlerie industrielle ou métallerie, aux boutiques et aux établissements professionnels. Elle permet également la gravure.
Les principes
La focalisation du rayon élève la température d’une surface réduite de matière jusqu’à sa vaporisation ou sa fusion. Sa puissance varie selon la pièce à découper et son épaisseur. La faible surface affectée permet de limiter les déformations des pièces. La découpe se fait thermiquement sur des objets plats et en volumes, de manière nette, précise et rapide.
Le laser est généralement orienté par ordinateur, ce qui permet à l’utilisateur de ne pas être en contact avec les pièces et donc de travailler en toute sécurité. La lentille permet de concentrer une grande quantité d’énergie sur une très petite surface. Le gaz d’assistance, ou gaz de coupe, est propulsé pour chasser la matière et peut revêtir trois natures différentes (oxygène, azote et argon).
La découpe est efficace dans de nombreux secteurs où la production se doit d’être rapide. Elle permet une grande liberté de conception et de quantités ainsi que la découpe facile de tous types de matériaux. En ce sens, elle convient à la réalisation de projets et de services pour entreprises (emboutissage, grande série, usinage, pliage) et se rapproche ainsi des milieux tels que la chaudronnerie ou la tôlerie industrielle.
La typologie de la découpe laser
Les technologies peuvent être classées en grandes familles selon leur puissance, leur domaine de longueur d’onde couvert, l’application qui les emploie, la durée d’impulsion, la fréquence et la technologie de construction. Les découpeuses diffèrent par la source utilisée.
- Le CO2 : le gaz scellé sert de milieu amplificateur. Il est issu d’un mélange gazeux du CO2 (le CO2 crée le phénomène, l’azote permet la réaction et l’hélium refroidit le mélange). Il convient à la découpe, au perçage, au soudage et à la gravure de tous types de matériaux (bois, papier, acrylique, textile, métal, etc.).
- Le YAG (grenat d’yttrium et d’aluminium) : le solide cristallin YAG sert de milieu amplificateur. Il est issu de l’excitation d’un cristal de synthèse par un courant électrique ou une source lumineuse. Conductible par fibre optique, il convient à la découpe, au soudage et au marquage sur métal et sur céramique.
- La Fibre, nouvelle génération : une fibre optique dopée avec des ions de terres rares sert de milieu amplificateur. Il est capable d’atteindre une puissance supérieure et de pratiquer des découpes rapides et précises.
Néanmoins, il est généralement moins performant que les deux autres techniques. Il convient à l’usinage de métaux d’épaisseurs fines à moyennes, pour le marquage ou la découpe. Les trois types de laser se distinguent également par la longueur d’onde de leur faisceau.
Comment se réalise la découpe ?
Le fonctionnement du découpage laser répond à des impératifs en termes de matériaux et de configuration.
Les matériaux
De nombreuses matières peuvent être découpées au laser, il suffit d’adapter les longueurs d’ondes spécifiques. Cependant, certaines, tels que l’argent ou le cuivre, ont des propriétés réfléchissantes qui peuvent complexifier leur réaction. Il est important de conserver un rapport de proportionnalité égal entre le diamètre de la perforation et l’épaisseur de la pièce.
De nombreuses matières sont tolérées par la machine de découpe :
- Le contreplaqué
- Le MDF (panneau composite)
- L’acrylique
- Le carton
- Le papier
- Le cuir
- Le textile
- La céramique
- Le bois
- L’acier doux
- Le plexiglas
- Le thermoplastique
- De nombreuses matières plastiques (polyamide, polyester, polyoxyméthylène, polyéthylène, polyimide, le polypropylène)
- Le caoutchouc
- etc.
Il est néanmoins conseillé d’éviter de découper :
- Les matériaux réfléchissants (miroirs, chromes, etc.)
- La majorité des métaux
- La fibre de verre
- La fibre de carbone
- Les matériaux à base de chlore, de PVC, etc.
- Les matériaux contenant du fluor
- Le verre
- Le polystyrène expansé et extrudé
D’autres techniques de découpage peuvent alors être utilisés (découpe plasma, oxycoupage).
Les configurations techniques
Le choix d’utilisation d’un laser prend en compte certains critères de performance tels que la vitesse de découpe, le rendu final et l’intégration dans la chaîne de production. La puissance du laser est directement liée à la nature et à l’épaisseur de la matière à découper. Elle est importante car elle impacte le matériau et peut améliorer la vitesse et la qualité de la découpe.
Les avantages et les inconvénients de la découpe
La découpe laser est un procédé qui présente de nombreux avantages dans l’industrie.
- Elle permet de varier la forme découpée à volonté.
- Elle est particulièrement efficace dans de nombreux secteurs nécessitant une rapidité d’exécution.
- Elle permet la découpe de nombreuses matières.
- Elle permet un travail très précis.
- Elle permet une économie de matière car elle génère très peu de pertes.
- Elle offre une liberté de design et de quantités.
- Le rendement est intense puisqu’il n’y a pas de chauffe de la matière.
- Elle permet de réaliser très peu de déformation de la pièce.
- L’absence de contact avec la matière en fait un procédé peu dangereux et sécurisé.
- Elle n’entraine pas d’usure d’outils ni d’outillage.
- Néanmoins, la découpe peut présenter certaines contraintes.
- Son effet thermique, associé à une opération de découpe et de marquage, nécessite l’emploi de techniques spécifiques de refroidissement (par l’adaptation de la vitesse, par l’apport d’un gaz adapté ou encore par l’optimisation des paramètres).
- Elle peut être dangereuse en raison de sa puissance si elle est mal utilisée.
- Pour une épaisseur supérieure à 40 mm, il est recommandé de privilégier la découpe plasma ou la découpe au jet d’eau.
La découpe laser est une machine de découpe de matière efficace, rapide et économique. Elle s’adresse à de nombreux secteurs d’activité, dans les domaines artisanaux et industriels grâce à ses grandes possibilités.
