Ultra

Nov 20, 2023

Avec l'introduction des lasers à fibre de niveau kilowatt au début des années 2000 et leur intégration ultérieure dans les outils de coupe à la fin des années 2000, les lasers à fibre ont transformé la découpe laser d'une méthode de niche en un processus de fabrication courant. Depuis lors, les lasers à fibre ont dominé la découpe au laser des tôles en raison de leur facilité d'intégration, de leur fiabilité, de leur faible maintenance et de leurs faibles coûts d'investissement et d'exploitation par rapport à la technologie laser antérieure, des vitesses de coupe élevées et de la possibilité d'augmenter leur puissance. Le marché de la découpe laser a augmenté de plus de 10 % par an au cours de la dernière décennie, soit plus du double du taux des autres processus de découpe de profilés.

Ces dernières années, l'industrie de la fabrication a vu l'adoption rapide des lasers à fibre ultra-haute puissance (UHP) dans la plage de 10 à 40 kW pour la découpe. En suivant chaque année les systèmes de découpe laser à la pointe de la technologie sur le sol d'exposition de FABTECH ou dans ses séminaires pédagogiques, on aurait remarqué que la puissance maximale disponible pour la découpe est passée de 6 kW en 2016 à 40 kW en 2022, soit une multiplication par près de sept en six ans. Rien qu'au cours des trois dernières années, la puissance laser maximale des systèmes de découpe est passée de 15 à 40 kW. Le rythme rapide des développements du laser UHP s'est poursuivi cette année, mené par deux développements récents notables : la disponibilité du laser à fibre de 50 kW pour la découpe et ses tests sur le terrain ; et la sortie de lasers à fibre UHP à haut rendement avec des rendements électriques de plus de 50 %, qui offrent des économies d'énergie significatives pour les applications de découpe à haute puissance avec des cycles de service élevés.

Le chevauchement de trois développements majeurs au cours des dernières années a rendu possible la tendance de la découpe UHP, à savoir la réduction du coût/kW-puissance des lasers à fibre, la disponibilité de têtes de découpe capables de gérer la puissance laser ultra-élevée et une meilleure connaissance de l'ingénierie d'application concernant la découpe laser haute puissance.

Les vitesses de coupe augmentent considérablement avec une plus grande puissance laser, ce qui entraîne une réduction substantielle des coûts d'exploitation (y compris la consommation de gaz, le temps de cycle par pièce et la consommation d'énergie par pièce) et un coût par pièce nettement inférieur. La vitesse de coupe de la plupart des épaisseurs d'acier inoxydable, par exemple, est plus que quadruplée en augmentant la puissance de 6 kW à 15 kW, tout en utilisant la même pression de gaz d'assistance et la même taille de buse (c'est-à-dire, le même débit de gaz) à la fois pour la coupe à faible et à haute puissance, ce qui entraîne une réduction multiple de la consommation de gaz et des autres coûts d'exploitation.

Les lasers UHP permettent également une découpe sans scories de l'acier au carbone épais et de l'acier inoxydable avec de l'air à haute pression au lieu de l'azote plus coûteux ou de la découpe à l'oxygène qui est beaucoup plus lente. La découpe avec un gaz d'assistance à l'air est nettement plus rapide que la découpe à l'oxygène à des puissances laser élevées, car dans la découpe à l'air, contrairement à la découpe à l'oxygène, la vitesse augmente avec la puissance du laser. Par exemple, lors de la découpe d'acier au carbone de 16 mm d'épaisseur avec un laser de 30 kW, la vitesse de découpe est supérieure à 9 m/min avec un gaz d'assistance à l'air, mais n'est que d'environ 2 m/min avec de l'oxygène.

Lors de la coupe avec de l'azote gazeux pour de l'acier inoxydable de 10 mm d'épaisseur, la vitesse de coupe passe d'environ 2 m/min à 6 kW à plus de 12 m/min à 15 kW, une multiplication par six avec un saut de puissance multiplié par 2,5. Cette vitesse accrue entraîne facilement une baisse de deux à trois fois du coût par pièce pour la plupart des conceptions de pièces. Cependant, un système de découpe laser deux fois plus productif n'est pas deux fois plus cher car le coût de la source laser par kilowatt diminue avec l'augmentation de la puissance laser et le coût plus élevé du laser est absorbé dans le coût global de la machine-outil.

En améliorant considérablement les vitesses de coupe, UHP a rendu la découpe laser plus compétitive par rapport aux méthodes de découpe mécanique telles que le poinçonnage, tout en préservant les avantages uniques (à savoir la flexibilité, le manque d'usure de l'outil, la coupe sans contact et la capacité de couper des parois minces complexes). L'avantage du poinçonnage par rapport à tout processus de découpe de profil tel que le laser réside généralement dans la fabrication en série de pièces de géométries relativement simples, pour lesquelles le coût d'outillage initial initial peut être justifié. Cependant, comme l'industrie de la fabrication exige de plus en plus de flexibilité, les vitesses de coupe élevées fournies par les lasers UHP ont déplacé la considération de coût du laser par rapport au poinçonnage en faveur des lasers.

Avant l'essor des lasers haute puissance, l'hypothèse courante était que les lasers étaient les mieux adaptés pour une coupe plus fine tandis que les plasmas ciblaient une coupe plus épaisse. Bien que les plasmas fonctionnent bien dans la découpe de métaux épais, l'augmentation spectaculaire de la puissance du laser au cours des six dernières années a élevé chaque année la limite d'épaisseur laser/plasma perçue en faveur des lasers.

Les tests d'application ont montré une découpe laser de haute qualité de métaux jusqu'à 100 mm d'épaisseur avec 30 kW. Des tests récents montrent qu'avec 40 kW, une découpe laser d'acier au carbone jusqu'à 230 mm d'épaisseur peut être réalisée avec un gaz assisté par air. Des tests comparatifs entre les lasers UHP et le plasma haute puissance montrent que les découpes au laser à fibre de 40 kW de sections en acier inoxydable de 12 à 50 mm d'épaisseur sont 3 à 4 fois plus rapides, et les sections en acier doux de 12 à 30 mm d'épaisseur sont 3 à 4,5 fois plus rapides avec le laser. Grâce à une productivité ultra élevée, des capacités d'épaisseur accrues et une bonne qualité de coupe (coupes sans scories, presque sans effilement), les lasers d'une puissance de 15 kW et plus remplacent les coupeurs plasma dans un nombre croissant d'applications.

En résumé, les lasers ultra-haute puissance dans la gamme de 10 à 50 kW modifient le paysage concurrentiel des processus de découpe des métaux en permettant une productivité ultra-élevée et un coût par pièce réduit, ainsi qu'une gamme et une qualité améliorées de coupe épaisse. La découpe laser UHP réduit les coûts de fabrication en diminuant la consommation de gaz d'assistance par pièce, en remplaçant les gaz d'assistance N2 et O2 par de l'air comprimé tout en préservant la qualité, en réduisant la consommation d'électricité par pièce et en réduisant l'empreinte des machines et le nombre d'opérateurs de machines requis.

Ces avantages puissants devraient devenir encore plus convaincants à mesure que les lasers ultra-haute puissance continuent d'augmenter en puissance et en efficacité énergétique, ce qui étend leur capacité à transformer les applications de découpe dans différentes industries. Dans quelques années, l'ultra-haute puissance des lasers ne semblera peut-être pas "ultra" après tout.

Le traitement au laser est un domaine en évolution rapide. Pour apprendre les bases et obtenir une formation à jour sur la découpe laser, le soudage laser et d'autres applications laser, y compris plus de détails sur la découpe laser ultra-haute puissance, recherchez les sessions laser de cette année à FABTECH 2022 à Atlanta (8-10 novembre).

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