Etat de l'art en matière d'utilisation industril du faisceau laser pour découper, polir, percer, texturer, graver...

Les technologies laser à l’EMO 2015

| Rédacteur: Jean-René Gonthier

Figure 1 : Machine Femto-Laser de Posalux.
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Figure 1 : Machine Femto-Laser de Posalux. (Image: Posalux)

>> L'exposition de machines-outils EMO 2015, qui a eu lieu à Milan du 5 au 10 octobre 2015, a attiré plus de 155 000 visiteurs provenant de 120 pays. Elle a dépassé toutes les attentes et démontré les capacités innovatrices de l'industrie machines-outils européenne. Voici un article rétrospectif de notre correspondant, Monsieur Nitin Shankar.

Le grand thème du salon était « Industrie 4.0 ». C’est un concept d’une usine intelligente, qui se caractérise par une communication continue et instantanée entre les différents outils et postes de travail intégrés dans les chaînes de production et d’approvisionnement. L'objectif est d'améliorer la productivité dans les processus de fabrication.

L'autre sujet d'intérêt était l'utilisation croissante des technologies laser dans le micro-usinage. On a trouvé des solutions novatrices combinant les machines multitâche avec la fabrication additive. Il y a eu aussi des exemples d’applications de lasers avec des impulsions ultracourtes pour le micro-usinage. Ce fut tout un défi de trouver ces stands parmi les 1500 exposants dispersés dans 12 grandes salles.

L'objectif d’une machine-outil multitâche est la finition de tous les processus d'usinage sur une seule machine pour arriver à un temps de processus réduit et à un usinage efficace de lots uniques ou de grandes séries.

Laser femto-second pour le polissage

Posalux SA (Bienne, Suisse) a exposé une machine-outil multitâche, le 11-axe Femto-Twin conçue pour le perçage par laser à durées d’impulsions ultracourtes.

La source laser émet les impulsions ultracourtes à durées de quelques femto-secondes (10-15). Ces impulsions (230 FS) sont plus courtes que le temps nécessaire pour l'énergie à diffuser au sein du treillage atomique du matériau en cours de traitement. Cette technologie laser évite que la chaleur ne s'étende aux régions environnantes et le processus est appelé « l’ablation à froid ».

En utilisant cette technologie de pointe, le Femto-Twin peut percer un alésage de 90 µm à une rugosité (Ra = 0,05 µm) comme le polissage.

La Twin-Femto-laser est également disponible dans une version combinée, une machine multitâche associant le fraisage et la finition au laser (figure 1).

Une application de la machine Combi concerne un composant d’un injecteur automobile. Dans la première étape, six alésages de 500 µm sont usinés par fraisage et, dans la deuxième étape, six alésages à jaillir de 200 µm sont usinés par laser. Le temps de cycle pour chaque alésage est de 14 secondes (figures 2 et 3).

L'exemple ci-dessus montre qu’une machine-outil multitâche peut économiser de l'espace et réduire la durée des cycles de pièces tout en veillant à ce que les normes de qualité soient respectées.

Le multitâche aide la fabrication additive

Jusqu'à présent les imprimantes 3D était utilisées dans la fabrication additive pour générer des prototypes ou des pièces en petites séries. Néanmoins une deuxième opération d'usinage était nécessaire si la pièce avait besoin d’une précision plus élevée.

Les fabricants, DMG Mori et Yamazaki Mazak, ont exposé les machines-outils multitâche qui combinent la technologie de la fabrication additive par laser avec l’usinage mécanique pour effectuer toutes les opérations requises à la finition d’une pièce dans un seul cycle.

Le DMG Mori Lasertec 65 3D (figure 4) offre une solution hybride innovante intégrant la fabrication additive avec une fraiseuse. Cela permet de combiner la souplesse de l’impression 3D avec la précision de fraisage à 5 axes, offrant des possibilités infinies quant à la taille et à la forme des pièces à produire.

Le processus utilise une buse pour la déposition de poudre métallique (figure 5) qui est dix fois plus rapide qu’un laser qui balaye chaque couche successivement dans un bac de fine poudre et le fait solidifier. Avec un changement entièrement automatisé entre les opérations laser et usinage (figure 7), le processus permet la fabrication des composants de précision en petites séries.

La machine génère des pièces avec des diamètres allant jusqu'à 500 millimètres. Selon la géométrie de buse utilisée, l’épaisseur de paroi de 0,1 à 5 millimètre est possible.

Avec sa solution multitâche, le DMG Mori Lasertec 65 3D peut générer et usiner une pièce complexe en une seule opération (figure 7).

La machine-outil Yamazaki Mazak-Integrex i-AM utilise également une approche multitâche pour produire des pièces finies en une seule opération.

En fonctionnement, l'Integrex i-400 fait la réalisation d'un modèle 3D par couches successives 2D associée à un laser qui balaye chaque couche successivement dans un bac de fine poudre et le fritte.

Le système a une capacité de rangement pour des outils divers comme les buses laser et des outils. Un changeur charge automatiquement l'outil sélectionné pour la fabrication additive ou l'usinage mécanique.

L'Integrex I-400AM montre l'évolution continue de l'impression 3D industrielle ou c’est possible de générer un composant par CAD et de l’usiner à la précision requise.

Outillage diamant pour l’industrie

Une des tendances observées dans l’usinage est l'utilisation croissante des matériaux comme les diamants CVD (dépôt chimique en phase vapeur) pour des outils coupants. Les plaquettes diamants CVD sont très dures, résistant à l'usure par abrasion et ont une conductivité thermique élevée. Toutefois, seules les technologies laser sont capables de l'usinage de ces matériaux.

Trois fabricants suisses ont mis au point des machines spécialement conçues pour l’usinage des plaquettes en diamant synthétique.

L’EWAG Laser Line Précision est conçu comme un centre d’usinage compact pour des outils diamantés. À côté de la cellule d'usinage laser, il y a une cellule avec un robot Fanuc 6-axes qui peut choisir un outil d'une palette et le transporter vers la station de serrage. Après l'usinage, il y a une disposition pour le contrôle dimensionnel. Ce système peut fonctionner en équipe sans personnel.

Une fois que l'outil est serré, un capteur sonde la pièce et un logiciel compense automatiquement son positionnement.

Un processus breveté (Laser Touch Machining ®) génère les surfaces coupantes de qualité supérieure d'une manière efficace. Dans ce processus, la machine CNC 5-axes et le guide de faisceau laser CNC 2-axes travaillent en tandem pour usiner des géométries complexes en une seule opération. La source laser verte (532 nm) émet des impulsions de courtes durées (1,5 ns) avec un petit diamètre focal (15 μm) adapté pour l'usinage de précision de matériaux comme les diamants CVD.

Ce centre d'usinage flexible est adapté pour l'automatisation du découpage par laser des plaquettes de matériaux ultra-durs en petites et grandes séries

La Rollomatic LaserSmart 500 est un centre d’usinage à 5 axes interpolés simultanément pour l’usinage par laser des outils de matériaux ultra-durs tels que diamants PCD et CVD, pour une gamme de diamètres de 2,0 à 50 millimètres (figure 13). Un système de palettisation et le robot de chargement de la machine peuvent accueillir selon les diamètres jusqu’à 1000 outils.

La LaserSmart 500 a été conçue pour réaliser en un seul serrage des plaquettes et des outils cylindriques comportant des opérations aussi diverses que des brise-copeaux, de la découpe de contour et du marquage.

Le système de serrage des pièces cylindriques repose sur un V de centrage qui assure la référence de l’outil sur son corps et une concentricité de l’ordre du micron (figure 14).

Une fois que la pièce est serrée, une caméra digitale et un palpeur s’assurent de la position de l’outil et des plaquettes brasées sur le corps. Le dispositif de calibrage automatique détermine la position exacte et recalcule toutes les trajectoires. Le scanner digital est utilisé pour assurer que le point d’usinage et la position du rayon laser soient toujours parfaitement alignés.

La source laser assure une rugosité de la surface de Ra = 0,1 µm. L'outil spécial ci-dessus avec un profil spécial a pris un temps de cycle de 12 minutes (figure 15).

Ce centre d'usinage laser répond à l'exigence de produire un outil avec la finition de surface coupante requise dans une seule opération.

Laser guidé par jet d'eau

Le Synova LCS 50-5 système de découpage par laser bénéficie de la technologie brevetée Laser MicroJet®,

Dans ce système, le faisceau laser vert traverse une chambre d'eau pressurisée, et se focalise dans une buse. Le jet d'eau de basse pression émis par la buse guide le faisceau laser au moyen de réflexions internes à l’interface air/eau. Le laser guidé par jet d’eau est cylindrique et le faisceau laser parallèle, donc la zone de découpe peut s’allonger jusqu'à plusieurs centimètres, en permettant à de grandes plaquettes de diamant CVD d'être coupées en une seule étape. Comme le jet d’eau refroidit la surface de la plaquette entre les pulsations de courtes durées du laser, le dégât de la chaleur sur la surface du diamant CVD est minime.

Le LCS 50-5, doté d’un contrôleur CNC 5-axes, est capable de couper les contours les plus complexes même avec des angles pointus. Avec une capacité de 50 x 50 millimètres, cette machine est adaptée pour le micro-usinage de plaquettes diamant CVD à haute précision avec la qualité de surface coupante souhaitée.

L’exposition EMO 2015 a révélé deux tendances concernant les technologies laser :

  • La fabrication additive peut devenir économiquement faisable grâce aux machines-outils multitâche
  • Le laser impulsion ultracourte est techniquement développé pour le micro-usinage.

Espérons que ces technologies tiennent leurs promesses avec des développements plus captivants encore pour l’EMO 2017. <<

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