L’importance des positions focales dans les opérations de découpe laser – Une analyse complète

L’importance des positions focales dans découpe laser Les opérations de découpe laser ne peuvent pas être surestimées, car elles ont un impact direct sur la qualité, l'efficacité et la précision du processus de découpe. La position focale fait référence au point exact auquel le faisceau laser converge vers son plus petit diamètre, appelé point focal. C'est à cet endroit que le faisceau laser fournit une densité énergétique maximale, permettant des performances de découpe optimales. Voici plusieurs raisons clés soulignant l'importance des positions focales dans les opérations de découpe laser :

Mise au point de la découpe laser

Focaliser les faisceaux laser

Chaque fabricant peut avoir son opinion sur ce qui est l'élément le plus important dans découpe laser. Pensez-vous que cela est dû au maintien de la plus petite taille de spot et d'une orientation de la lentille perpendiculaire à l'axe du faisceau laser ? Si vous avez répondu oui, vous avez partiellement raison, mais de nombreux autres facteurs doivent être pris en compte en ce qui concerne les propriétés du faisceau laser et les applications de découpe. Le maintien des positions de mise au point dans le matériau est essentiel à la répétabilité des paramètres de découpe laser et à la production d'une qualité de bord constante.

Par exemple, lorsqu'il s'agit de matériaux épais, il est en fait nécessaire de créer un motif de brûlure plus large pour créer un canal plus large, qui est nécessaire pour supporter un plus grand volume de matériau fondu qui doit être expulsé pendant le processus de découpe. Pour créer ce motif de brûlure élargi, vous focalisez le faisceau soit au-dessus, soit au-dessous de la surface du matériau en fonction du gaz d'assistance. Par conséquent, focaliser un petit point sur la surface est généralement une approche moins efficace pour les matériaux plus épais.

For thinner material, however, a small spot focused on the material's surface is much more effective than a larger one because less material is involved and, consequently, a broader channel is not required.

Un facteur très important à prendre en compte lors de la découpe au laser est l'utilisation d'un gaz d'assistance, tel que l'oxygène, l'azote ou l'air comprimé. Chaque gaz possède des propriétés spécifiques liées à l'accélération du processus de combustion, à l'évacuation du matériau en fusion, ou aux deux.

Dans la découpe laser, les gaz auxiliaires favorisent deux réactions spécifiques : exothermique ou endothermique. Les règles de focalisation varient selon le type de réaction et de gaz utilisé.

Mise au point pour les réactions exothermiques

Exothermic reactions are created by using a gas that offers accelerant properties, such as oxygen. During this type of reaction, the laser beam's intense energy vaporizes—or literally boils—the cut material as the oxygen vigorously reacts with the molten material in its liquid state. During high-pressure, oxygen-assisted cutting, the base material is brought to such an intensely high temperature that conversion of the material into a thermal vapor is very nearly complete.

Les règles de focalisation pour soutenir les réactions exothermiques nécessitent que les positions de focalisation soient au-dessus de la surface pour les matériaux épais ou juste dans la surface supérieure pour les matériaux plus minces.

Lorsque le foyer est placé au-dessus du matériau, vous utilisez généralement une faible pression et un faible volume pour aider à liquéfier puis à expulser le matériau fondu (environ 6 à 8 livres par pouce carré à 40 pieds cubes par heure). En fait, très peu de matériau est vaporisé car le petit volume d'oxygène est incapable de supporter une vaporisation complète. Lorsque le foyer est placé juste à la surface du matériau, vous utilisez généralement une pression élevée et un volume élevé (environ 60 PSI à 80 CFH). Cela suffit à supporter une vaporisation vigoureuse du matériau.

That's why when you inspect most cutting tables where thinner material is cut predominantly, you see very little material accumulated on the table supports. In contrast, cutting tables used for processing thicker materials will have a much larger volume of material accumulated on their supports.

Mise au point pour les réactions endothermiques

Les réactions endothermiques, en revanche, se produisent lorsque l'on utilise un gaz aux propriétés inertes ou non réactives. L'azote et l'argon entrent dans cette catégorie.

Lors de ce type de réaction, le gaz ne fait que favoriser l'évacuation du matériau fondu à travers le canal de coupe. Le processus endothermique dépend fortement de l'énergie brute du faisceau laser focalisé pour amener rapidement le métal de base à l'état fondu et créer le canal de coupe approprié. Cela permet au gaz inerte d'expulser le matériau liquéfié à travers le canal de coupe, laissant une surface de coupe nette sans adhérence de scories.

Focusing rules for supporting endothermic reactions require focus positions to be at, or just below, the bottom of the material. Maintaining the focus below the material creates a slight V shape within the cut channel, allowing the high-pressure gas to compress the molten material through the cut channel at a high velocity and expelling it through the channel's base.

Les réactions endothermiques nécessitent un volume et une pression élevés pour permettre une évacuation rapide du matériau fondu. Les volumes typiques peuvent commencer à 350 CFH pour les matériaux minces et atteindre plus de 3 000 CFH pour les matériaux plus épais. Les pressions peuvent commencer à 140 PSI pour les matériaux minces et monter jusqu'à plus de 300 PSI pour les matériaux plus épais.

Using compressed air as an assist gas actually produces both endothermic and exothermic reactions at the same time. However, because air volume is composed mostly of nitrogen (approximately 78 percent), it is primarily an endothermic reaction, with the small volume of oxygen (about 20 percent) creating a simultaneous but smaller exothermic reaction. This results in quicker melting of the base material because of oxygen's reactive properties. The balance of the air is principally inert in composition and adds only to the endothermic reaction produced by the nitrogen.

La découpe à l'air comprimé donne les meilleurs résultats lorsque la position de mise au point est maintenue au centre de l'épaisseur du matériau.

Effets de faisceau brut

Just as the intensity of the sun affects the ability of the magnifying glass to focus and create an effective spot size, so does the raw laser beam influence how well you can focus its energy and the size of the focused spot that results. Here's the general rule: The larger the raw beam diameter, the larger the resulting focal waist diameter, and the farther the focal point is projected from the lens.

Une autre façon de modifier efficacement la taille du spot consiste à utiliser un objectif avec une distance focale effective (EFL) différente. Cela crée non seulement une taille de spot différente, mais également une profondeur de champ (DOF) différente, comme illustré dans la Figure 3. Gardez à l'esprit que la DOF ne se limite pas à l'endroit où le faisceau est le plus petit (taille focale), mais comprend également une plage juste avant et après la plus petite taille de spot.

À titre d'exemple de modification de la taille du spot et de la profondeur de champ, prenons un faisceau laser CO2 d'une longueur d'onde de 10 600 nm, d'un diamètre de faisceau brut de 20 mm et d'un M2 de 2. Si nous faisons passer ce faisceau à travers une lentille de 3,75 pouces (95,25 mm), le diamètre au niveau de la taille focale serait d'environ 128 microns (0,128 mm). Maintenant, si nous remplaçons une lentille de 5 pouces (127 mm), en utilisant le même faisceau brut de 20 mm, le diamètre au niveau de la taille focale serait de 170 microns (0,170 mm). Simultanément, un changement de profondeur de champ entre les deux lentilles se produirait. La lentille de 3,75 pouces aurait une profondeur de champ d'environ 1,2 mm, contre une profondeur de champ de 2,16 mm pour la lentille de 5 pouces.

Yet another consideration that can alter the beam's focal point projection is a change in the wave front of the beam before it strikes the lens. The wave front of the raw beam can be described as either converging, parallel, or diverging. In the case of a converging wave front, the beam is essentially getting smaller as it travels. As this converging wave front strikes the lens, the resulting focus projection is shorter than that of a parallel wave front because of the smaller beam diameter projection at the top of the lens. Conversely, focusing a diverging wave front results in a longer focal point projection than that of a parallel wave front because of the larger beam diameter projected at the top surface of the lens .

Applications concrètes

Il est important de contrôler tous les aspects liés au maintien des projections de points de focalisation appropriées. Vous devez vous assurer que le faisceau brut au niveau du résonateur optique est en bon état et qu'il est correctement délivré à la lentille. L'utilisation d'une lentille à distance focale appropriée peut modifier la vitesse à laquelle le matériau est fondu et l'épaisseur qui peut être traitée. Une lentille à courte distance focale, telle qu'une lentille EFL de 3,75 pouces, est plus efficace jusqu'à une épaisseur maximale de calibre 12 ou 0,104 pouce. Une lentille de 5 pouces est plus efficace jusqu'à une épaisseur maximale de 0,250 pouce. Pour les matériaux plus épais, utilisez une lentille de 7,5 pouces jusqu'à un maximum de 1,25 pouce et une lentille de 10 pouces jusqu'à un maximum de 1,312 pouce pour obtenir la coupe la plus efficace.

A genuine time-saving practice is to use an EFL that allows you to cover the majority of your daily production without having to change to a different lens. The use of a 7.5-in. lens will, for the most part, enable you to achieve all of the objectives related to maintaining the proper focus, from 16 ga. to 1 in. thicknesses, throughout the course of a day's production.

Comme mentionné précédemment, le choix du gaz d'assistance a beaucoup à voir avec la façon dont votre position focale sera déterminée dans le matériau. La découpe laser assistée par oxygène (exothermique) nécessitera que les positions focales soient juste à la surface ou au-dessus de la surface du matériau. Très peu de changements de focale sont nécessaires, sauf si vous passez d'une découpe haute pression à une découpe basse pression, car la focale est toujours sur ou près de la surface du matériau et n'est donc pas affectée par les changements d'épaisseur du matériau. D'autre part, la découpe laser assistée par azote (endothermique) dépend fortement de la focale en fonction de l'épaisseur du matériau à traiter, car la focale est au niveau ou près du fond du matériau.

Dans les deux cas, tous les points focaux de base peuvent être satisfaits en utilisant un dispositif de mise au point automatique CNC, tel qu'un miroir adaptatif.

An adaptive mirror works by changing the mirror's surface shape through the application of pressure to the back of the mirror. In its normal state, without applied pressure, the adaptive mirror's surface is concave. As pressure is applied to the mirror, the surface changes from concave, to flat, and then to convex. Changing the mirror's shape changes the wave front of the beam and consequently alters the size of the beam on the lens and where the focal position is projected within the material.

Un autre avantage majeur de l’autofocus est la possibilité de modifier la position focale de manière dynamique pendant le processus de perçage, ce qui permet un apport d’énergie maximal dans l’épaisseur du matériau et réduit les temps de perçage globaux.

Les progrès réalisés dans les technologies de découpe laser, qui permettent d'améliorer le rendement et la productivité, se poursuivent encore aujourd'hui. Cependant, ce qui reste très important, c'est la transmission du faisceau brut à la lentille et le maintien des positions focales appropriées, en fonction de l'application.

Si la position focale et les formes de projection appropriées sont maintenues dans le matériau à traiter, les exigences restantes nécessaires pour produire une découpe homogène et de haute qualité sont minimisées. Cela permet de gagner du temps de configuration tout en maintenant une productivité et un débit constants.