Les technologies clés

Technologies organisationnelles et d'accompagnement

Découpe laser

Fiche Technologie-clé n : 128b

VERSION 3

• Présentation de la technologie
• Objectifs de la technologie
• Environnement technologique

Présentation de la technologie

Définitions

Un dispositif de découpe laser comprend une source laser, une machine qui détermine le chemin du faisceau laser , une commande numérique, une table de découpe. Une machine laser est capable de découper un matériau, à condition que le faisceau soit focalisé par une lentille, et que sa puissance spécifique moyenne sur la pièce soit supérieure à 105 W/cm2. La découpe est réalisée par le faisceau laser assisté dans certains cas par un gaz. La commande de la machine laser de réaliser les formes souhaitées, même les plus complexes.

Techniques mises en oeuvre

Il existe sur le marché plusieurs types de machines de découpe faisant appel à deux grands types de sources lasers : le laser CO2 et le laser YAG. Les machines à base de laser CO2 (longueur d'onde : 10,6 m) sont actuellement le plus utilisé (plus de 95 % du marché français) ; elles permettent notamment la découpe de tôles, avec des précisions moyennes de +/- 0,1 mm. Les puissances utilisés varient de quelques Watts (pour découper des films polymères ou du plexiglas fin) à 3000 Watts (pour la découpe de tôle épaisse jusqu'à 20 mm d'épaisseur ou de matériaux métalliques ou inox de 12 à 14 mm d'épaisseur ou encore d'aluminium jusqu'à 8 mm d'épaisseur). On trouve principalement des machines 2D et des machines portiques 5 axes.

Les machines à base de laser YAG pulsé (longueur d'onde : 1,06 m) constitue la deuxième catégorie d'équipements (moins de 5 % du marché français) ; celles-ci sont plutôt utilisées pour des travaux de précision (jusqu'à quelques 1/100 mm) et de micro-usinage. Elles délivrent des puissances en général de l'ordre de 400 à 500 Watts jusqu'à quelques kW (développements récents). Elles permettent que de découper des matériaux métalliques ou céramiques. La longueur d'onde des lasers YAG permet de véhiculer le faisceau à l'aide de fibres optiques, ce qui rend la découpe plus aisée. Ainsi, on trouve sur le marché soit des robots polyarticulés de découpe au YAG, soit des machines spéciales, dédiées à une application.

Enfin, il existe de nombreuses machines mixtes alliant des techniques de découpe classiques (poinçonnage) à la découpe par laser.

Très récemment, est apparu sur le marché, un autre type de machine de découpe au laser YAG continu ; celui-ci allie à la fois les qualités des lasers CO2 et celles des YAG pulsés. Grâce à ce nouveau type de matériel, il devient possible de découper des matériaux à des vitesses comparables à celles atteintes par les machines à base de lasers CO2, mais avec une meilleure qualité de découpe (rugosité). Ce type d'équipement, peu encore diffusé dans le milieu industriel, permettra également de découper dans de meilleures conditions l'aluminium, jusqu'alors très difficile à découper du fait de son pouvoir réfléchissant.

Objectifs de la technologie

Contexte concurrentiel et économique

La technologie laser a permis de combler un manque dans le secteur de la découpe : celui de pouvoir découper de fines épaisseurs de matériaux, avec une meilleure précision et une meilleure qualité que les techniques traditionnelles. De plus, le laser permet une meilleure flexibilité et évite de devoir concevoir, stocker et réparer un outillage souvent très lourd.

Jusqu'en 1992, les lasers proposés ont été des lasers CO2 de puissance moyenne 1500 Watts, capables de découper jusqu'à 10 mm d'épaisseur d'acier. De ce fait, ils ont été principalement en concurrence avec les techniques de poinçonnage et de plasma. A partir de 1993, de nouveaux lasers, plus puissants, ont été lancés pour concurrencer les techniques de découpe microplasma.

Fonctions remplies :

Découper des matériaux métalliques, organiques, céramiques ou plastiques, d'épaisseur maximum de 20 millimètres.

Environnement technologique

Technologies concurrentes :

On distingue principalement quatre technologies concurrentes et/ou complémentaires au laser de découpe :

• le poinçonnage ou grignotage (poinçonnage répétitif) : moins souple, moins précis que le laser, difficile à utiliser si l'on veut réaliser des formes complexes, mais nettement moins cher,
• le plasma : pas vraiment adapté aux fines épaisseurs, de précisions moyennes (0,5 à 1 mm), découpe de qualité moyenne ; une technique dérivée, le microplasma, a été plus récemment développé pour concurrencer le laser sur de faibles épaisseurs (jusqu'à 6 mm) ; néanmoins, les précisions atteintes par cette technologie sont plus faibles que pour le laser CO2.
• le jet d'eau : technologie née en même temps que le laser, et complémentaire à celui-ci ; permet de découper des matériaux que le laser a du mal à découper (matériaux tendres tels que le cuivre, matériaux hautement réfléchissants comme l'aluminium et l'inox, matériaux hétérogènes tels que les composites, matériaux craignant la chaleur tels que les produits alimentaires, le cuir, le textile..., grosses épaisseurs de quelques centimètres de matériau ou encore matériaux divers tels que le verre...)
• l'électroérosion à fil : technique également utilisée dans des domaines où le laser présente quelques lacunes, comme pour la découpe de haute précision ( m), et de formes très complexes ; cette technologie est en revanche beaucoup moins rapide (de l'ordre de 10 mm/mn)

Evolutions technologiques :

Les évolutions technologiques visent principalement à obtenir une plus grande fiabilité des machines, de meilleures performances de découpe et une simplicité d'usage, et à réduire le coût des matériels.

Ainsi, des recherches sont menées pour optimiser l'architecture mécanique des machines, les sources laser utilisées et les composants des machines.

Du point de vue des machines, les constructeurs développent des machines 2D ou 3D, avec un axe X lié à la table de découpe, ce qui a pour conséquence de réduire la longueur du chemin optique du faisceau laser et le nombre de miroirs utiles. Ainsi, la configuration des machines est simplifiée, ce qui permet une plus grande rapidité de découpe (vitesse et accélération).

Du point de vue des sources, dans le domaine des sources lasers YAG continus, encore peu répandus, des développements sont en cours pour optimiser la qualité (faible rugosité de la partie découpée) et la vitesse de découpe. Dans le domaine des sources lasers CO2, certains constructeurs (notamment Rofin Sinar) proposent de nouvelles technologies ; ces lasers sont appelés "lasers à cavité scellée" ou "à cavité guide d'onde". Une première machine de découpe de ce type a été installée en France fin 1995/début 1996.

Enfin, du point de vue des composants, d'importantes recherches sont également menés pour améliorer les performances de découpe : développement et utilisation de moteurs linéaires, de structures en matière composite (pour réduire le poids et l'inertie) et optimisation des commandes numériques (commandes plus conversationnelles)...

Evolutions économiques :

On constate actuellement que certains offreurs de machines de découpe laser commencent à proposer des solutions de découpe (adaptation de l'offre aux besoins spécifiques du client), plutôt que des lasers. Aujourd'hui, ces offreurs développent une gamme de machines destinée à remplacer le poinçonnage. Il s'agit de machines qui possèdent des performances et des niveaux de qualité au moins égaux à ceux du poinçonnage et à des prix identiques. Cette nouvelle tendance est notamment introduite par la société japonaise Mazak, très implantée en France, et qui possède une usine en Belgique, ou encore par la société allemande Trumpf. En outre, tous les fabricants cherchent à proposer des machines moins chères.

Programmes de recherche :

Certains programmes de recherche en Europe portent sur l'amélioration de la qualité des sources lasers (exemple : le programme allemand Laser 2000).

De nombreux autres programmes de recherche européens et nationaux financent plutôt des développements et perfectionnements des périphériques des lasers (automatisation, programmation...) et des améliorations au niveau des buses délivrant le gaz (changement automatique des buses par exemple). L'ensemble de ces recherches visent tout particulièrement à optimiser les temps d'utilisation du faisceau laser (jusqu'à 90 à 95 %).