Techniques industrielles Améliorer la découpe laser grâce à l'acoustique

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La découpe laser des métaux est un procédé performant et flexible. Cependant, selon l'épaisseur et la nature du matériau, le réglage des machines de découpe peut s'avérer fastidieux. Dans le cadre d'un projet soutenu par Innosuisse, des chercheurs de l'EMPA, de la Haute école spécialisée de Suisse méridionale (SUPSI), et du fabricant de machines Bystronic ont mis au point un procédé permettant au laser d'évaluer lui-même la qualité de la découpe à l'aide de caméras et de microphones et, si nécessaire, de l'ajuster immédiatement.

La lumière peut-elle traverser une plaque d'acier de 2,5 centimètres d'épaisseur ? Dans le cas de la découpe au laser, la réponse est oui. Grâce à des longueurs d'onde dans le proche infrarouge et à des puissances élevées, le laser fait fondre le métal en quelques fractions de seconde. La découpe au laser permet un traitement rapide et des découpes particulièrement précises, même pour des pièces aux formes complexes ou en petites séries. Elle connaît donc une demande croissante, notamment dans l'industrie automobile.

Cependant, ce procédé est quelque peu instable, en particulier avec des pièces épaisses. Pour obtenir la qualité de coupe souhaitée, le laser doit être réajusté pour chaque alliage et chaque épaisseur de matériau. Cela peut représenter un temps important à un fabricant pour configurer parfaitement sa machine de découpe laser à l'aide de séries d'essais ciblés. Et le moindre changement, aussi minime soit-il, dans le matériau à découper nécessite de répéter ce processus fastidieux.

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Dans le cadre d'un projet Innosuisse, l'EMPA, la Haute école spécialisée de Suisse méridionale (SUPSI), et le fabricant suisse de machines Bystronic souhaitent remédier à cette situation. L'objectif est de doter le laser d'« yeux » et d'« oreilles » afin que la machine puisse évaluer en continu la qualité de la découpe et l'ajuster de manière autonome. « La SUPSI travaille sur l'évaluation de la coupe à l'aide de caméras. Nous développons des méthodes acoustiques », explique Roland Richter, chercheur à l'EMPA, qui travaille au sein de l'équipe d'Elia Iseli au laboratoire « Multifunctional Materials and Interfaces ».

« Entendre » la qualité de la découpe

Bien que la découpe s'effectue « uniquement » à la lumière, le processus est bruyant. Là où le laser rencontre l'acier, il se forme du métal fondu et vaporisé ainsi que du plasma. Un gaz de traitement s'écoule en continu sur la découpe afin d'évacuer le matériau enlevé. Les chercheurs de l'EMPA utilisent les données issues de nombreux essais et des modèles d'apprentissage automatique pour extraire des indices sur la qualité de la coupe à partir de ce bruit de fond intense. « Nous avons pu montrer que la qualité de la coupe peut être évaluée acoustiquement presque aussi bien qu'avec des caméras », explique Roland Richter. « En même temps, l'équipement nécessaire est nettement moins coûteux. »

La qualité de coupe dépend de deux facteurs : la rugosité du bord de coupe (plus il est lisse, mieux c'est) et la formation de bavures. Les bavures apparaissent lorsque la matière expulsée lors de la découpe se dépose à l'arrière de la pièce. Les pièces épaisses sont particulièrement sujettes à la formation de bavures en raison de la puissance laser élevée requise. Moins il y a de bavures, moins il y a de retouches et d'usure du matériau, ce qui se traduit par un gain de temps et d'argent.

Pour entraîner leurs modèles, les chercheurs de l'EMPA ont mené une série d'essais avec quatre épaisseurs de matériau différentes : 6 mm, 10 mm, 15 mm, et 25 mm. À chaque essai, ils ont évalué « manuellement » la qualité de la coupe. Parallèlement, ils ont enregistré le bruit ambiant à l'aide de neuf microphones placés à différents endroits de la machine. Ils ont ensuite affiné les modèles ainsi développés à l'aide de séries d'essais plus restreintes portant sur différents alliages. Parallèlement, l'équipe de la SUPSI a suivi une approche similaire à l'aide de caméras optiques.

Autocorrection immédiate

Ce projet de deux ans devrait s'achever à l'automne 2026. Dans la dernière phase, les chercheurs de l'EMPA s'attachent désormais à relier les modèles acoustiques et optiques à un « cerveau » central, grâce auquel la machine peut évaluer la coupe et optimiser immédiatement ses réglages de manière autonome. « Ce modèle permet d'éviter les séries d'essais fastidieuses », explique Roland Richter. À la place, le laser se règle lui-même sur les paramètres optimaux pour le matériau concerné. Les machines existantes pourraient être facilement équipées de ce système : il suffit pour cela d'un PC doté de l'algorithme de contrôle ainsi que de quelques microphones et caméras.

Les partenaires sont satisfaits des résultats. En effet, une telle collaboration profite non seulement au partenaire industriel, mais aussi à la recherche. « Ce projet nous a permis de tester et de perfectionner nos modèles de simulation et de contrôle des processus de découpe laser avec des lasers industriels très puissants auxquels nous n'aurions pas eu accès autrement », résume Roland Richter.

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