Description de la machine de découpe laser : Guide détaillé

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Date de publication : 15 mai 2024

I.Introduction

Depuis l'invention de la machine de découpe au laser dans les années 1960, ses applications se sont étendues aux secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale, de l'électronique et à d'autres industries.

Par exemple, dans la fabrication automobile, la technologie de découpe laser est utilisée pour produire des composants tels que des panneaux de carrosserie, des châssis et des systèmes d'échappement, afin d'améliorer l'efficacité et la précision. Dans l'industrie aérospatiale, la technologie, en fonction de ses performances supérieures, joue un rôle essentiel dans la fabrication de composants clés, tels que le revêtement des avions, les ailes et les pales de moteur.

Cet article présente les principes de fonctionnement, les composants de base, les matériaux applicables, les avantages et les applications des machines de découpe laser, afin de présenter en détail cette technologie qui change la donne.

II. Comment fonctionnent les machines de découpe laser ?

Voici une courte vidéo qui vous permettra d'apprécier les capacités fascinantes des machines de découpe au laser :

Principes de fonctionnement

Les machines de découpe laser utilisent des faisceaux laser à haute densité de puissance pour irradier la surface de la pièce, provoquant la fusion, l'évaporation et des réactions chimiques des matériaux, tandis que les matériaux fondus sont expulsés par un flux d'air à grande vitesse.

En général, la découpe laser peut être divisée en 4 parties :

  • Irradiée par des faisceaux laser, la surface du matériau absorbe rapidement la chaleur.
  • Le matériau, dont la température dépasse le point de fusion, commence à fondre, formant un bassin de fusion.
  • Lorsque la température augmente, le matériau s'évapore et forme de la vapeur, et les matériaux fondus sont expulsés sous l'action du recul de la vapeur et du flux d'air de coupe à grande vitesse.
  • Les faisceaux laser se déplacent le long de la trajectoire de coupe et forment des fentes étroites et continues dans le matériau. Le processus de découpe est ainsi terminé.

Composants de base

En règle générale, une machine de découpe laser contient les éléments suivants :

  • Lasers
  • Un système optique
  • Une tête de coupe
  • Un système de commande CNC
  • Un système d'assistance
comment fonctionne une découpeuse laser

Lasers :

En tant que source de lumière fournissant des faisceaux laser de haute puissance et de qualité, les lasers comprennent généralement les lasers à CO2 et les lasers à fibre.

Source laser

Source laser

Un système optique :

Le système, qui comprend des miroirs réfléchissants, des lentilles de focalisation et d'autres composants, concentre les faisceaux laser avec précision sur la surface de la pièce.

Tête de coupe :

Il émet des faisceaux laser et des gaz de coupe coaxiaux et contrôle leurs mouvements relatifs et leur position par rapport à la pièce à usiner.

tête de coupe

Tête de coupe

Un système de contrôle CNC :

Il contrôle les trajectoires et la vitesse de déplacement de la tête de coupe afin de réaliser une coupe automatique.

Système de contrôle CNC

Système de contrôle CNC

Un système d'assistance :

Il comprend le système de refroidissement, le système d'évacuation des fumées, le système d'alimentation en gaz et d'autres éléments qui garantissent un fonctionnement régulier et efficace.

Parmi ces composants, les lasers, qui constituent le facteur essentiel, déterminent directement la qualité et l'efficacité de la découpe. Grâce à leur efficacité et à leur qualité, ces machines magiques élargissent leur horizon dans la fabrication industrielle, stimulant ainsi le développement de la technologie de découpe laser et le développement industriel.

Processus de découpe laser étape par étape

Prendre un machine de découpe laser à fibre à titre d'exemple :

machine de découpe laser
  • Placez les pièces à découper sur l'établi et réglez les paramètres de découpe, tels que la puissance du laser, la vitesse de découpe et la pression d'air, en fonction du type et de l'épaisseur du matériau.
  • Le faisceau laser est transmis par la fibre optique, collimaté par un miroir de collimation, focalisé par une lentille de focalisation et émis par la buse.
  • La tête de coupe se déplace en deux dimensions par rapport aux pièces à usiner, sous le contrôle d'un système de commande CNC, et la densité de puissance élevée du point focal du faisceau laser fait fondre et s'évaporer les matériaux.
  • Les gaz de coupe, tels que l'oxygène et l'azote, sont projetés rapidement par des buses afin de souffler les matériaux en fusion et de produire des coupes régulières.
  • La tête de coupe se déplace selon la trajectoire et la vitesse prévues afin de découper les formes géométriques requises sur les pièces.
  • Une fois la découpe terminée, éteignez les lasers et utilisez de l'air comprimé pour souffler la poussière et les éclaboussures sur la tête de découpe et les composants optiques afin de les préparer pour la prochaine fois.

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Il est évident que la découpe laser est un processus complexe, impliquant un laser, un système optique, un système de contrôle CNC, un système de refroidissement et d'autres composants. Parallèlement, le réglage des paramètres de découpe doit être basé sur les matériaux de traitement, l'épaisseur, les motifs géométriques et d'autres facteurs.

Ce n'est qu'en comprenant leurs principes de fonctionnement et leurs paramètres de contrôle que nous pouvons tirer pleinement parti de l'efficacité, de la précision et de la souplesse des machines de découpe au laser.

III. Types de machines de découpe laser

Selon les types de lasers, les machines de découpe laser peuvent être divisées en trois catégories principales : Les machines de découpe laser CO2, machines de découpe laser à fibre et YAG.

Les principes de traitement, les matériaux applicables et les performances de coupe varient d'une machine à l'autre. Découvrons les secrets de ces machines.

 découpeurs laser

Découpeurs laser CO2

Comptant parmi les machines de découpe laser les plus répandues, elles utilisent des gaz CO2 comme substances de travail et sont activées par l'énergie pour produire des faisceaux infrarouges d'une longueur d'onde de 10,6μm.

En outre, les lasers CO2 absorbent bien les non-métaux et conviennent donc au bois, à l'acrylique, au verre, au papier, au tissu, au plastique et au cuir.

Avantages des découpeurs laser CO2 :

  • Large application ; l'épaisseur de coupe des métaux non ferreux peut atteindre 60 mm.
  • Fentes étroites, petite zone affectée par la chaleur et surface de coupe de haute qualité.
  • Faisceaux laser de haute qualité ; sortie constante et régulière.
Découpeur laser CO2

Les inconvénients des découpeurs laser CO2 :

  • Ne convient pas à la découpe des métaux, en particulier pour les matériaux présentant des taux de réflexion élevés.
  • Réduction de la vitesse de coupe et de l'efficacité dans la coupe de panneaux épais
  • Système optique complexe, nécessitant un entretien et un calibrage réguliers.
  • Consommation d'énergie élevée avec un taux de conversion électricité-lumière de 10 à 15% seulement.

Découpeurs laser à fibre

Utilisant des fibres optiques dopées avec des éléments des terres rares comme support de gain, les découpeurs laser à fibre sont pompés par des diodes laser à semi-conducteur, générant un faisceau de lumière proche de l'infrarouge avec des longueurs d'onde de 1,06 à 1,07μm.

Les lasers de cette bande ont un taux d'absorption extrêmement élevé pour les métaux. C'est pourquoi les machines de découpe laser à fibre sont spécifiquement utilisées pour la découpe de matériaux métalliques, notamment l'acier inoxydable, l'acier au carbone, l'aluminium, le cuivre, etc.

Machine de découpe laser à fibre à double usage ULFT

Machine de découpe laser à fibre à double usage ULFT

Avantages des découpeurs laser à fibre :

  • La transmission par fibre optique avec un chemin optique simple ne nécessite pas d'entretien.
  • Un petit point lumineux focalisé avec une puissance et une densité élevées permet d'obtenir une grande efficacité.
  • Avec un taux de conversion électricité-lumière de 30 à 50 %, ils permettent d'économiser de l'énergie et sont respectueux de l'environnement.
  • Conception à semi-conducteurs, taille compacte, haute fiabilité
  • Matériaux à forte réflectivité, tels que l'aluminium, le cuivre et le laiton qui peuvent être traités avec une forte réflectivité.

Par rapport aux découpeurs laser à CO2, la vitesse de coupe des découpeurs laser à fibre pour les matériaux métalliques est 2 à 3 fois supérieure à celle des découpeurs laser à CO2 et n'est guère affectée par la réflectivité du matériau. Cependant, ils sont limités pour la découpe des matériaux non métalliques et leur coût est élevé.

Découpeurs laser YAG

La machine de découpe laser YAG est un type d'équipement de découpe laser à l'état solide basé sur le cristal de grenat d'yttrium aluminium (YAG) dopé avec des ions néodyme (Nd3+). Sa longueur d'onde de travail est proche de celle des lasers à fibre, également autour de 1,06μm, c'est pourquoi la machine de découpe laser YAG est principalement utilisée pour la découpe des métaux également.

Découpeurs laser YAG

Avantages des découpeurs laser YAG :

  • Des coûts faibles pour un rapport coût-efficacité élevé
  • Prévoir des matériaux très réfléchissants, tels que l'aluminium et le cuivre.
  • Les faisceaux laser de haute qualité produisent un effet de coupe parfait.
  • De faible puissance, ils sont principalement utilisés pour la coupe de planches minces, l'épaisseur et la vitesse de coupe.

Les inconvénients des découpeurs laser CO2 :

  • Les diodes de la pompe et les cristaux sont tous deux des consommables dont la durée de vie est courte.
  • L'efficacité de la conversion photoélectrique est faible, généralement inférieure à 3%.
  • Leur puissance est limitée et leurs performances en termes d'épaisseur et de vitesse de coupe ne sont pas aussi bonnes que celles des découpeurs laser à fibre.
  • Structures complexes avec des coûts d'entretien élevés.

Comparaison:

Avant d'entrer dans le vif du sujet, vous voudrez peut-être regarder une vidéo !

Types de machines de découpe laser
ComparaisonMachine de découpe laser CO2Machine de découpe laser à fibreMachine de découpe laser YAG
Actif MoyenCO2 gazeuxFibre dopée aux terres raresCristal de YAG dopé au Nd
Longueur d'onde de sortie10,6μm1,06μm1,06μm
Matériaux appropriésPrincipalement des non-métaux, tels que le bois, l'acrylique, le verre, le papier, le tissu, le plastique, le cuir, etc.Principalement les métaux, en particulier les matériaux hautement réfléchissants ; il peut également découper certains non-métaux.Coupe principalement des métaux, tels que l'aluminium, le cuivre et d'autres métaux non ferreux ; peut également couper des métaux non ferreux
Épaisseur de coupe<12 mm de préférence, vitesse de coupe lente pour les plaques épaisses<12mm, la vitesse de coupe des feuilles minces est 2 à 3 fois supérieure à celle du CO2Faible puissance, convient uniquement à la découpe de feuilles de moins de 8 mm
Qualité du faisceauMédiocre, taille des taches plus importante, ne convient pas à la coupe de grandes surfacesExcellente, petite taille de spot, densité de puissance élevée, permet de réaliser des coupes de haute précision.Bonne, permet de réaliser des coupes de haute précision
Précision de coupeMoyenHautHaut
Vitesse de coupeMoyenRapide, plusieurs fois celle du CO2Plus lent que la fibre, plus rapide que le CO2
Efficacité électro-optique10-15%Au-dessus de 30%3-5%
Consommation électriqueHautFaible, environ 1/4 du CO2Plus élevé que les fibres
Coût de la maintenanceHaut, les composants optiques et les tubes RF doivent être remplacés fréquemmentFaible coût, pratiquement sans entretienMoyenne, les pompes doivent être remplacées régulièrement
Coût de l'équipementÉlevé, environ 350 000-1 000 000 CNYMoyen, environ 200 000-600 000 CNYFaible, technologie mature, environ 100 000-300 000 CNY
Coût de fonctionnementÉlevé, environ 20 CNY/heureFaible, environ 4 CNY/heurePlus élevé que les fibres
Industries d'applicationDécoration publicitaire, traitement des vêtements, travail du bois, meubles, artisanat, etc.Principalement traitement des métaux, notamment dans les secteurs de la construction automobile, de l'électronique, des machines de précision, etc.Gravure et marquage de métaux, découpe de tôles fines non métalliques

En résumé, les machines de découpe laser à CO2 conviennent à la découpe des non-métaux, les machines de découpe laser à fibre conviennent mieux à la découpe des métaux, tandis que les machines de découpe laser à YAG ont un rapport coût-performance modéré et peuvent être utilisées comme équipement d'entrée de gamme.

Les utilisateurs doivent évaluer leurs choix en fonction des facteurs susmentionnés. Avec les progrès technologiques, les machines de découpe laser à fibre devraient remplacer les machines de découpe laser à CO2 et s'imposer dans de plus en plus de domaines.

VI. Applications dans les différents secteurs d'activité

En tant qu'outil de traitement extrêmement précis et efficace, les machines de découpe laser sont utilisées dans de nombreux secteurs. Cet article présente les applications des machines de découpe laser dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale, de l'électronique et de la médecine.

Automobile

machine de découpe laser
  • Pièces de précision

Les machines de découpe laser, principalement utilisées pour la fabrication de pièces de précision dans l'industrie automobile, peuvent garantir l'efficacité de la découpe et la qualité de la surface de composants précis. Par exemple, les plaquettes de frein des véhicules et d'autres composants essentiels nécessitent une découpe de haute précision afin de garantir leur performance et leur sécurité.

  • Pièces intérieures

Le traitement des pièces intérieures peut également être réalisé par des découpeurs laser. Les pièces intérieures impliquent généralement des processus de surface complexes et de haute qualité, auxquels les découpeuses laser peuvent répondre grâce à leur flexibilité et à leur précision. En outre, les machines de découpe laser peuvent fournir des services de conception personnalisés pour répondre aux demandes des différents clients.

Aérospatiale

machine de découpe laser
  • Composants de la cellule

Dans l'aérospatiale, les machines de découpe laser peuvent être utilisées pour fabriquer des composants de cellules d'avion, qui doivent répondre à des exigences élevées en matière de poids et de résistance des produits. Les découpeurs laser peuvent garantir que les performances des matériaux ne sont pas affectées grâce à leur découpe de haute qualité et à leurs petites zones affectées par la chaleur.

  • Pièces de moteur

Les pièces de moteur peuvent être produites par des machines de découpe au laser. Ces composants nécessitent généralement une grande précision et des motifs géométriques complexes. Les machines de découpe laser peuvent répondre à ces exigences avec une précision et une vitesse élevées.

En outre, certains matériaux, tels que l'alliage de titane et les alliages à base de nickel, qui sont traités difficilement par des machines, peuvent être traités par des découpeurs laser.

Électronique

machine de découpe laser
  • Cartes de circuits imprimés

Les machines de découpe laser sont principalement utilisées pour la découpe de circuits imprimés. Les circuits imprimés étant les principaux composants de l'électronique, leur précision et leur qualité de fabrication déterminent directement la durée de vie et les performances de l'électronique, et les machines de découpe au laser permettent donc une fabrication très efficace des circuits imprimés.

  • Boîtiers et dissipateurs

Bien que les dissipateurs thermiques nécessitent des modèles complexes et des processus de surface de haute qualité, les machines de découpe laser peuvent répondre à ces exigences grâce à leur haute précision et à leur flexibilité. En outre, les machines de découpe laser peuvent traiter les structures complexes des radiateurs, améliorant ainsi leurs performances en matière de dissipation de la chaleur.

Médical

machine de découpe laser
  • Implants

Les machines de découpe laser sont principalement utilisées pour tous les types d'implants dans l'industrie médicale, tels que les prothèses articulaires et les implants dentaires. En outre, elles peuvent également découper des motifs et des formes complexes dans des matériaux biocompatibles afin de garantir l'adaptation précise des implants et leur intégration fine aux patients.

  • Instruments chirurgicaux

Les machines de découpe laser peuvent être utilisées pour produire des instruments chirurgicaux. La qualité et la rapidité des machines de découpe laser peuvent répondre aux exigences des instruments chirurgicaux et garantir leur performance et leur fiabilité. En outre, les conceptions personnalisées peuvent répondre aux exigences de diverses opérations chirurgicales.

V.Conclusion

L'article aborde en détail les principes de fonctionnement, les composants de base, les différences entre les trois types de découpeurs laser et leurs applications. Grâce à leur précision, leur rapidité et leur qualité, les découpeurs laser domineront le marché de la fabrication à l'avenir.

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