Les activités de fabrication au laser comprennent actuellement la découpe, le soudage, le traitement thermique, le revêtement, le dépôt en phase vapeur, la gravure, le traçage, le détourage, le recuit et le durcissement par choc. Les procédés de fabrication au laser rivalisent techniquement et économiquement avec les procédés de fabrication conventionnels et non conventionnels tels que l'usinage mécanique et thermique, le soudage à l'arc, l'usinage électrochimique et par électroérosion (EDM), la découpe au jet d'eau abrasif, le coupage au plasma et le coupage à la flamme.
La découpe au jet d'eau est un processus utilisé pour couper des matériaux à l'aide d'un jet d'eau sous pression pouvant atteindre 60 000 livres par pouce carré (psi). Souvent, l'eau est mélangée à un abrasif comme le grenat qui permet de couper plus de matériaux proprement avec des tolérances serrées, d'équerre et avec une bonne finition des bords. Les jets d'eau sont capables de couper de nombreux matériaux industriels, notamment l'acier inoxydable, l'Inconel, le titane, l'aluminium, l'acier à outils, la céramique, le granit et les tôles blindées. Ce processus génère un bruit important.
Le tableau qui suit contient une comparaison entre la découpe du métal utilisant le procédé de découpe au laser CO2 et le procédé de découpe au jet d'eau dans le traitement industriel des matériaux.
§ Différences fondamentales de processus
§ Applications et utilisations typiques du procédé
§ Investissement initial et coûts moyens d'exploitation
§ Précision du processus
§ Considérations de sécurité et environnement d'exploitation
Différences fondamentales de processus
| Sujet | Laser Co2 | Découpe au jet d'eau |
| Méthode de transmission d'énergie | Lumière 10,6 m (portée infrarouge lointain) | Eau |
| Source d'énergie | Laser à gaz | Pompe haute pression |
| Comment l'énergie est transmise | Faisceau guidé par miroirs (optique volante) ; transmission par fibre non réalisable pour le laser CO2 | Des tuyaux rigides haute pression transmettent l'énergie |
| Comment le matériau coupé est expulsé | Le jet de gaz et le gaz supplémentaire expulsent le matériau | Un jet d'eau à haute pression expulse les déchets |
| Distance entre la buse et le matériau et tolérance maximale admissible | Environ 0.2″ 0.004″, capteur de distance, régulation et axe Z nécessaires | Environ 0.12″ 0.04″, capteur de distance, régulation et axe Z nécessaires |
| Configuration de la machine physique | Source laser toujours située à l'intérieur de la machine | La zone de travail et la pompe peuvent être situées séparément |
| Gamme de tailles de tables | 8′ x 4′ à 20′ x 6,5′ | 8′ x 4′ à 13′ x 6,5′ |
| Sortie de faisceau typique sur la pièce à usiner | 1 500 à 2 600 Watts | 4 à 17 kilowatts (4000 bars) |
Applications et utilisations typiques du procédé
| Sujet | Laser Co2 | Découpe au jet d'eau |
| Utilisations typiques du processus | Découpe, perçage, gravure, ablation, structuration, soudure | Découpe, ablation, structuration |
| Découpe de matériaux 3D | Difficile en raison du guidage rigide du faisceau et de la régulation de la distance | Partiellement possible car l'énergie résiduelle derrière la pièce est détruite |
| Matériaux pouvant être découpés par le procédé | Tous les métaux (à l'exception des métaux hautement réfléchissants), tous les plastiques, le verre et le bois peuvent être coupés | Tous les matériaux peuvent être découpés par ce procédé |
| Combinaisons de matériaux | Les matériaux ayant des points de fusion différents peuvent à peine être coupés | Possible, mais il y a un risque de délaminage |
| Structures sandwich avec cavités | Ce n'est pas possible avec un laser CO2 | Capacité limitée |
| Couper des matériaux avec un accès limité ou dégradé | Rarement possible en raison de la faible distance et de la grande tête de découpe laser | Limité en raison de la faible distance entre la buse et le matériau |
| Propriétés du matériau coupé qui influencent le traitement | Caractéristiques d'absorption du matériau à 10,6 m | La dureté des matériaux est un facteur clé |
| Épaisseur du matériau pour laquelle la découpe ou le traitement est économique | ~0,12″ à 0,4″ selon le matériau | ~0,4″ à 2,0″ |
| Applications courantes de ce processus | Découpe de tôles plates d'épaisseur moyenne pour le traitement de la tôle | Découpe de pierre, céramique et métaux de plus grande épaisseur |
Investissement initial et coûts d’exploitation moyens
| Sujet | Laser Co2 | Découpe au jet d'eau |
| Investissement initial requis | 300 000 $ avec une pompe de 20 kW et une table de 6,5′ x 4′ | 300 000 $+ |
| Pièces qui vont s'user | Verre de protection, gaz buses, ainsi que les filtres à poussière et à particules | Buse à jet d'eau, buse de focalisation et tous les composants haute pression tels que vannes, tuyaux et joints |
| Consommation d'énergie moyenne du système de coupe complet | Supposons un laser CO2 de 1 500 watts : Consommation d'énergie électrique : 24-40 kW Gaz laser (CO2, N2, He) : 2-16 l/heure Gaz de coupe (O2, N2) : 500-2000 l/heure | Supposons une pompe de 20 kW : Consommation d'énergie électrique : 22-35 kW Eau : 10 l/heure Abrasif : 36 kg/h Élimination des déchets de coupe |
Précision du processus
| Sujet | Laser Co2 | Découpe au jet d'eau |
| Taille minimale de la fente de coupe | 0,006″, selon la vitesse de coupe | 0,02″ |
| Aspect de la surface découpée | La surface coupée montrera une structure striée | La surface coupée semble avoir été sablée, en fonction de la vitesse de coupe |
| Degré de coupe des bords complètement parallèles | Bien; présentera occasionnellement des bords coniques | Bien; il y a un effet de « queue » dans les courbes dans le cas de matériaux plus épais |
| Tolérance de traitement | Environ 0,002″ | Environ 0,008″ |
| Degré de bavure sur la coupe | Seule une ébavurage partielle se produit | Aucune bavure ne se produit |
| Stress thermique du matériau | Des déformations, des trempes et des changements structurels peuvent survenir dans le matériau | Aucune contrainte thermique ne se produit |
| Forces agissant sur le matériau en direction du jet de gaz ou d'eau pendant le traitement | La pression du gaz pose problèmes avec mince pièces à usiner, distance ne peut pas être maintenu | Élevé : les pièces fines et petites ne peuvent donc être traitées que de manière limitée |
Considérations de sécurité et environnement d’exploitation
| Sujet | Laser Co2 | Découpe au jet d'eau |
| Sécurité personnelleexigences en matière d'équipement | Les lunettes de protection contre le laser ne sont pas absolument nécessaires | Des lunettes de protection, une protection auditive et une protection contre le contact avec un jet d'eau à haute pression sont nécessaires |
| Production de fumée et de poussière pendant le traitement | Cela se produit ; les plastiques et certains alliages métalliques peuvent produire des gaz toxiques | Non applicable pour la découpe au jet d'eau |
| Pollution sonore et danger | Très faible | Exceptionnellement élevé |
| Exigences de nettoyage des machines en raison du désordre du processus | Faible nettoyage | Nettoyage en profondeur |
| Réduire les déchets produits par le processus | Les déchets de coupe se présentent principalement sous forme de poussières nécessitant une aspiration et une filtration | De grandes quantités de déchets de coupe sont dues au mélange de l'eau et des abrasifs. |