La technologie de découpe laser existe depuis les années 60, mais elle est aujourd'hui plus pertinente que jamais en raison de son utilisation croissante dans les processus industriels.
La découpe laser est un procédé d'usinage sans contact qui utilise un faisceau lumineux constant pour générer chaleur et pression, permettant ainsi de remodeler ou de déformer avec précision divers matériaux grâce au déplacement de la tête de découpe sur leur surface. La technologie laser offre une multitude d'applications, telles que la découpe, le perçage et la gravure, en fonction de la puissance du laser, du matériau utilisé pour produire le faisceau et du matériau traité. La découpe laser est l'un des procédés les plus courants pour la fabrication de pièces en tôle.
Chaque laser offre une longueur d'onde continue et peut servir à diverses applications. Il existe trois types de lasers : les lasers CO2 (lasers à gaz), les lasers à fibre et les lasers à cristal de vanadate Nd:YAG ou Nd:YVO3. Chacun utilise un matériau de base différent pour stimuler le laser, soit électriquement avec un mélange gazeux, soit physiquement à travers des diodes.
Types de lasers pour la découpe
Lasers CO2
Un laser CO2 fait passer un courant électrique dans un tube rempli d'un mélange gazeux, produisant ainsi des faisceaux lumineux. Ce tube est muni de miroirs à chaque extrémité. L'un de ces miroirs est totalement réfléchissant, tandis que l'autre est partiellement réfléchissant et laisse passer une partie de la lumière. Le mélange gazeux est généralement composé de dioxyde de carbone, d'azote, d'hydrogène et d'hélium. Les lasers CO2 produisent une lumière invisible, située dans l'infrarouge lointain.
Les lasers CO2 les plus puissants atteignent plusieurs kilowatts pour les machines industrielles, mais ils restent l'exception. Les lasers CO2 utilisés en usinage ont généralement une puissance de 25 à 100 watts et une longueur d'onde de 10.6 micromètres.
Ce type de laser est principalement utilisé pour le travail du bois, du papier (et de leurs dérivés), du polyméthacrylate de méthyle et d'autres plastiques acryliques. Il convient également au travail du cuir, des tissus, du papier peint et des produits similaires. On l'utilise aussi pour la transformation de produits alimentaires tels que le fromage, les châtaignes et diverses plantes.
Les lasers CO2 sont généralement plus adaptés aux matériaux non métalliques, bien qu'ils puissent traiter certains métaux. Ils permettent notamment de découper de fines feuilles d'aluminium et d'autres métaux non ferreux. Il est possible d'augmenter la puissance du faisceau CO2 en accroissant la teneur en oxygène, mais cette opération peut s'avérer risquée pour un opérateur inexpérimenté ou avec une machine non adaptée.
Lasers à fibre
Cette catégorie de machines appartient au groupe des lasers à semi-conducteurs et utilise un laser d'amorçage. Le faisceau est amplifié grâce à des fibres optiques spécialement conçues, alimentées par des diodes de pompage. Leur longueur d'onde est généralement de 1.064 micromètre, ce qui permet d'obtenir un diamètre focal extrêmement réduit. Ce sont également les machines de découpe laser les plus onéreuses.
Les lasers à fibre sont généralement sans entretien et offrent une longue durée de vie d'au moins 25,000 2 heures. Ils ont donc un cycle de vie bien plus long que les deux autres types de lasers et peuvent produire des faisceaux puissants et stables. À puissance moyenne égale, ils peuvent atteindre des intensités 100 fois supérieures à celles des lasers CO₂. Les lasers à fibre peuvent fonctionner en mode continu, quasi-continu ou pulsé, ce qui leur confère différentes fonctionnalités. Parmi les systèmes laser à fibre, on trouve notamment le MOPA, dont la durée d'impulsion est ajustable. Cette caractéristique fait du laser MOPA l'un des lasers les plus polyvalents, utilisable pour de nombreuses applications.
Les lasers à fibre sont parfaitement adaptés au marquage des métaux par recuit, à la gravure et au marquage des thermoplastiques. Ils fonctionnent aussi bien avec les métaux, les alliages qu'avec les non-métaux, y compris le verre, le bois et le plastique. Les machines de découpe laser à fibre , selon leur puissance, peuvent être très polyvalentes et traiter une grande variété de matériaux. Pour les matériaux fins, les lasers à fibre sont la solution idéale. Cependant, c'est moins le cas pour les matériaux de plus de 20 mm d'épaisseur, même si une machine laser à fibre plus performante, capable de fonctionner à plus de 6 kW, pourrait convenir.
Lasers Nd:YAG/Nd:YVO
Les procédés de découpe laser sur cristal peuvent utiliser des cristaux Nd:YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme), mais on emploie plus couramment des cristaux Nd:YVO (orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme, YVO4). Ces dispositifs permettent une puissance de découpe extrêmement élevée. Leur principal inconvénient réside dans leur coût élevé, non seulement en raison de leur prix d'achat initial, mais aussi de leur durée de vie de 8 000 à 15 000 heures (généralement plus courte pour les cristaux Nd:YVO4) et du prix conséquent des diodes de pompage.
Ces lasers offrent une longueur d'onde de 1.064 micromètre et sont utiles pour une vaste gamme d'applications, allant du médical et dentaire au militaire et à l'industrie. Comparé au Nd:YAG, le Nd:YVO présente une absorption et un gain de pompage plus élevés, une bande passante plus large, une plage de longueurs d'onde de pompage plus étendue, une durée de vie de l'état excité plus courte, un indice de réfraction plus élevé et une conductivité thermique plus faible. En fonctionnement continu, le Nd:YVO offre des performances globalement similaires au Nd:YAG pour les puissances moyennes et élevées. Cependant, le Nd:YVO ne permet pas d'atteindre des énergies d'impulsion aussi élevées que le Nd:YAG et sa durée de vie est plus courte.
Ces dispositifs peuvent être utilisés avec des métaux (revêtus ou non) et des non-métaux, y compris les plastiques. Dans certaines conditions, ils peuvent même traiter certaines céramiques. Le cristal Nd:YVO4 a été associé à des cristaux à coefficient NLO élevé (LBO, BBO ou KTP) afin de décaler la fréquence d'émission du proche infrarouge vers le vert, le bleu, voire l'ultraviolet, ce qui lui confère une grande variété de fonctionnalités.
Du fait de leurs dimensions similaires, les ions d'yttrium, de gadolinium ou de lutétium peuvent être remplacés par des ions de terres rares actifs au laser sans altérer significativement la structure cristalline nécessaire à la production du faisceau. Ceci préserve la conductivité thermique élevée des matériaux dopés.
