4 types de découpeuses laser : vous devriez vous familiariser avec

Découpeurs laser Les machines-outils à commande numérique sont une classe de machines-outils performantes et polyvalentes. Elles sont utilisées dans pratiquement tous les secteurs pour la découpe, la gravure et le marquage de haute précision et à haut rendement, de la découpe de cartes/papiers à usage domestique à la construction navale et à l'ingénierie lourde. Elles appliquent un rayonnement laser bien collimaté et étroitement focalisé pour percer ou graver des matériaux, avec une précision contrôlée par CNC et une productivité élevée. Il existe plusieurs types de lasers couramment utilisés dans la découpe laser, chacun avec ses caractéristiques et applications spécifiques qui le rendent adapté à des niches de marché sélectionnées.

Les équipements de découpe laser utilisent quatre principaux types de laser, avec une large gamme de puissances, de quelques mW à plus de 100 kW. Une variété de longueurs d'onde d'émission les rend adaptés à des types de matériaux particuliers. Il existe également des facteurs opérationnels qui rendent certains types de lasers particulièrement bien adaptés à des secteurs de marché limités, sans qu'aucune solution ne soit universelle.

4 types courants de découpeuses laser

Découpeur laser à fibre

Découpeurs laser à fibre sont principalement utilisés pour la découpe et la gravure de pièces métalliques. Ils offrent plusieurs avantages par rapport aux autres types de lasers, ce qui en fait un choix logique dans les applications industrielles.

Les lasers à fibre doivent leur nom à la fibre optique chimiquement dopée utilisée pour induire l'effet laser et délivrer l'énergie au point de coupe. La source laser démarre avec un laser primaire, généralement de type diode, qui injecte un faisceau de faible puissance dans la fibre. Ce faisceau est ensuite amplifié dans la fibre optique, qui est dopée avec des éléments de terres rares tels que l'ytterbium (Yb) ou l'erbium (Er). Le processus de dopage amène la fibre à agir comme un milieu de gain, amplifiant le faisceau laser par des excitations/émissions en cascade.

Les lasers à fibre émettent une longueur d’onde dans le spectre proche de l’infrarouge, autour de 1,06 μm. Cette longueur d’onde est totalement absorbée par les métaux, ce qui rend les lasers à fibre particulièrement adaptés à la découpe et à la gravure de cette classe de matériaux, même des métaux réfléchissants « problématiques ». 

L'un des avantages particuliers des lasers à fibre réside dans la qualité exceptionnelle de leur faisceau. Cette qualité détermine la capacité du laser à produire une application de rayonnement hautement focalisée et donc une trajectoire de coupe plus petite et plus précise ainsi qu'une énergie spécifique (énergie par unité de surface) plus élevée. Cela implique également une divergence de faisceau plus faible, ce qui permet des coupes qui s'ouvrent moins lorsque l'épaisseur de la cible augmente.

Les lasers à fibre sont réputés pour offrir des vitesses de coupe et une productivité plus élevées. Cela contribue également à une consommation d'énergie plus faible par rapport aux autres types de lasers. Les lasers à fibre sont généralement optimisés pour la découpe de métaux, notamment : l'acier inoxydable, l'acier au carbone, l'aluminium, le cuivre, le laiton et divers alliages. Ils ne sont pas aussi efficaces pour couper des matériaux non métalliques comme le bois, l'acrylique ou les plastiques, qui sont plus efficacement coupés avec des lasers CO2. Les lasers à fibre avec des niveaux de puissance plus élevés peuvent également traiter efficacement des métaux plus épais.

Les lasers à fibre optique sont dotés d'une construction élégante, simple et robuste et d'une caractéristique proche de l'état solide. Cela se traduit par des besoins de maintenance réduits par rapport aux autres classifications de laser. L'absence de miroirs et de certains des composants focaux les plus délicats minimise les problèmes d'alignement, améliore la qualité du faisceau et augmente la durée de vie. Certains modèles sont capables de fournir des dizaines de milliers d'heures d'utilisation, avant de nécessiter une maintenance importante.

Les lasers à fibre sont, à bien des égards, le choix optimal pour les tâches de découpe/ablation et de gravure des métaux. Les facteurs essentiels qui consolident leur viabilité commerciale comprennent : un débit élevé, une précision exceptionnelle, une et efficacité énergétique et faible maintenance. Leurs capacités en font un outil privilégié dans diverses industries, notamment l'automobile, l'aérospatiale, l'électronique et la fabrication, dans lesquelles un traitement précis et efficace des métaux est crucial.

Lasers CO2

Bien qu'ils soient les premiers dispositifs exploités commercialement, les lasers CO2 restent très largement utilisés dans le secteur. Ils bénéficient d'un CAPEX plus faible (bien que d'un OPEX plus élevé) et d'un degré élevé de polyvalence/applicabilité des matériaux. Ils sont particulièrement adaptés au traitement de matériaux non métalliques avec une précision et une efficacité modérées. Ils sont également considérés comme viables dans de nombreuses applications de découpe de métaux. Pour le traitement des métaux, le spectre d'absorption est défavorable, mais diverses solutions de contournement largement utilisées peuvent faciliter une meilleure fonctionnalité.

Les lasers CO2 sont des dispositifs d'excitation à gaz qui utilisent un mélange de dioxyde de carbone (CO2), d'azote (N2) et d'hélium (He) pour produire le faisceau laser dans une séquence de cascade d'énergie. La source laser se compose généralement d'un tube flash au xénon ou similaire, qui est excité par une décharge électrique pour initier le processus d'émission stimulée. Ce processus est caractérisé par trois transitions énergétiques distinctes, dont seule la dernière implique une émission de photons. Les molécules N2 sont élevées à un état d'énergie plus élevé qu'elles transmettent ensuite aux molécules CO2, qui émettent des photons lorsqu'elles perdent leur énergie d'excision en impactant les atomes He.

Cette classe émet à environ 10,6 μm, dans le spectre infrarouge lointain. Cette longueur d'onde est fortement absorbée par les matériaux organiques comme le bois, les plastiques, le cuir, divers tissus, le papier et certains composites non métalliques, ce qui permet une découpe très efficace, propre et précise.

Leur qualité de faisceau est inférieure à celle des lasers à fibre, ce qui signifie que le faisceau laser est moins focalisé. Cela est dû à la complexité optique relative des appareils et est également intrinsèque au système d'émission de gaz. Cependant, les progrès de la technologie laser CO2 ont amélioré la qualité du faisceau au cours de la longue durée de vie de la technologie. Le faisceau génère généralement une taille de spot plus grande et une divergence plus élevée que les autres systèmes, ce qui peut affecter considérablement la précision des coupes.

Les lasers CO2 sont largement acceptés en raison de leur polyvalence, de leur coût d'achat relativement faible et de leur consommation d'énergie plus élevée par watt de découpe. Ils peuvent être considérablement plus lents à couper des matériaux métalliques épais que les lasers à fibre. Pour les matériaux non métalliques, ils peuvent offrir une excellente vitesse de coupe, ce qui les rend adaptés aux conceptions complexes et à une large gamme d'applications. Les lasers CO2 nécessitent plus d'entretien que les lasers à fibre, en raison de la présence de miroirs et d'autres composants optiques dans leur conception. De plus, la source laser principale se dégrade avec le temps d'utilisation. Ils nécessitent un nettoyage régulier du système optique et un réalignement délicat pour maintenir leurs performances.

Pour plus d'informations, consultez notre guide sur les découpeuses laser CO2.

Lasers Nd:YAG / Nd:YVO

Les lasers Nd:YAG (grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme) et Nd:YVO (vanadate d'yttrium dopé au néodyme) sont des dispositifs à semi-conducteurs fondamentalement similaires. Tous deux émettent dans le spectre proche infrarouge, différencié par le milieu dans lequel se produit l'émission stimulée. Ils sont particulièrement adaptés à la découpe et au marquage des métaux et d'une gamme limitée de non-métaux.

Les lasers Nd:YAG et Nd:YVO sont des dispositifs laser à l'état solide étroitement liés, dopés aux ions néodyme. Dans les lasers Nd:YAG, le milieu laser est constitué de cristaux de grenat d'yttrium-aluminium dopés aux ions néodyme. Dans les lasers Nd:YVO, le milieu laser est constitué de cristaux de vanadate d'yttrium dopés de la même manière aux ions néodyme. Lorsqu'ils sont pompés optiquement (par un laser ou une source de décharge), les ions néodyme sont excités. Cela conduit à l'émission de lumière laser, car ils perdent l'énergie d'excitation.

Ces lasers émettent à une longueur d'onde de 1,064 μm, tandis que les lasers Nd:YVO émettent à 1,064 μm ou 1,34 μm, selon l'orientation du cristal. Ces longueurs d'onde se situent dans la gamme proche de l'infrarouge et sont bien absorbées par de nombreux métaux, ce qui rend ces lasers adaptés aux applications de découpe, de gravure et de marquage des métaux. Les lasers au néodyme possèdent généralement une qualité de faisceau élevée, une faible divergence et une petite taille de spot, ce qui se traduit par une énergie spécifique élevée.

Les lasers Nd:YAG et Nd:YVO sont efficaces pour la découpe et le traitement des métaux, en particulier des tôles fines et des matériaux de haute précision et de faible épaisseur. Ils sont particulièrement adaptés aux métaux, notamment aux matériaux plus « réfléchissants » : acier inoxydable, acier au carbone, aluminium, laiton et cuivre. Ils sont également adaptés à la découpe de céramiques, de plastiques et de certains composites, mais ils sont peu adaptés à la découpe d'autres matériaux non métalliques. Ces types de laser sont appréciés pour leur durabilité et leurs besoins de maintenance relativement faibles, ce qui améliore le temps de fonctionnement et les performances commerciales. Ils peuvent offrir des milliers d'heures d'utilisation avant de nécessiter une maintenance majeure.

Lasers à diode directe

Les lasers à diode directe (ou simplement diode) sont un type de technologie laser qui utilise des jonctions semi-conductrices simples pour générer de la lumière laser. Leur pénétration sur le marché augmente dans les applications industrielles, notamment : la découpe, le soudage et le traitement de surface. laser à diode La diode laser est basée sur des jonctions semi-conductrices, généralement constituées d'arséniure de gallium (GaAs). Lorsqu'un courant de polarisation directe est appliqué à la diode, celle-ci émet de la lumière par électroluminescence, sans nécessiter de source lumineuse pour l'amorçage. La lumière émise est ensuite guidée et focalisée dans un faisceau laser par des éléments optiques qui forment une cavité résonante à émission stimulée avec un demi-miroir à une extrémité, à travers laquelle l'énergie laser est émise.

Les lasers à diode sont disponibles dans une gamme de longueurs d'onde, qui varient en fonction du matériau semi-conducteur, des dopants et de la conception de la cavité résonante. Les longueurs d'onde les plus courantes pour les lasers à diode directe utilisés dans les applications de découpe se situent dans le spectre proche infrarouge, autour de 900 à 1 100 nm (0,9 à 1,1 μm). Les systèmes à diodes alternées peuvent émettre dans les gammes de longueurs d'onde bleues et vertes. La qualité du faisceau des lasers à diode directe peut varier considérablement, bien qu'en général, la qualité du faisceau de diode s'améliore à chaque génération d'appareil. La qualité du faisceau ne correspond souvent pas à celle des lasers à fibre ou des lasers CO2.

Les lasers à diode offrent une excellente efficacité énergétique grâce à une faible perte de conversion de l'énergie électrique en lumière laser, réduisant quelque peu les coûts d'exploitation. Cependant, leurs vitesses de coupe sont généralement inférieures à celles des dispositifs à fibre ou à laser CO2, lorsque les épaisseurs de matériau sont plus importantes. Les lasers à diode directe conviennent à la découpe d'une variété de matériaux, notamment : les métaux, les plastiques, les composites et certains matériaux non métalliques. Ils sont considérés comme efficaces pour la découpe ou le soudage à grande vitesse de tôles fines, ce qui les rend adaptés aux industries telles que l'automobile, l'électronique et la fabrication de tôles. Cette famille d'appareils est plus simple et plus robuste que la plupart des autres types de laser, ce qui se traduit par une durée de vie opérationnelle plus longue et des besoins de maintenance moindres. Ils sont également de plus petite taille physique et nécessitent moins de dispositifs auxiliaires, ce qui améliore encore la maintenance et l'adéquation aux applications mobiles.

Conclusion

Ce ne sont là que quelques exemples, et le choix du découpeur laser dépend de facteurs tels que les matériaux à découper, la précision souhaitée et les applications prévues. Chaque type de découpeur laser a ses points forts et ses limites, il est donc important de sélectionner celui qui correspond le mieux aux besoins spécifiques de la tâche de découpe à accomplir.