Comment un fabricant de métaux de Pennsylvanie coupe avec une puissance laser ultra élevée

Sep 12, 2023

Un atelier de fabrication de métaux en Pennsylvanie possède deux machines de découpe au laser - rien d'extraordinaire, jusqu'à ce que vous réalisiez qu'elles ont respectivement une puissance de coupe de 15 et 20 kW. Images fournies

L'analyse de rentabilisation de l'industrie de la fabrication métallique pour une puissance de découpe laser élevée a évolué au fil des ans. Dans les premières années de la découpe laser CO2, plus de puissance vous permettait de couper plus rapidement et plus épais. Surtout pour les fabricants sur mesure, un laser plus puissant a élargi les capacités d'un atelier, ce qui a ouvert la porte à de nouveaux clients et marchés.

Puis, à la fin des années 2000, le laser à fibre et un tout nouveau jeu de balle sont arrivés. En coupant un matériau mince, un laser à fibre pourrait faire des cercles autour d'un CO2 de puissance similaire. Le laser à fibre a poussé la capacité de coupe de l'industrie vers le ciel, à tel point que de nombreux magasins ont eu du mal à alimenter la bête. Bien sûr, un atelier pourrait automatiser la manutention des matériaux, mais même ainsi, un laser qui coupe extraordinairement rapidement peut submerger les processus en aval, en particulier le pliage et le soudage. Il s'agit du débit de la commande à l'expédition : si un magasin augmente sa capacité de coupe uniquement pour repousser le goulot d'étranglement en aval, à quoi sert toute cette puissance de coupe ?

Il s'avère que toutes ces hypothèses pourraient simplifier à l'excès la stratégie de type jeu d'échecs nécessaire pour favoriser un débit optimal, en particulier une fois que vous vous plongez dans des opérations qui ont installé 10, 15, voire 20 kW de puissance de découpe laser à fibre.

Un excellent exemple, Raytec LLC a trouvé beaucoup de bien dans plus de puissance de coupe. Dans l'atelier se trouvent deux lasers à fibre, l'un de 15 kW et l'autre de 20 kW. Pour comprendre pourquoi le fabricant a investi dans une puissance de coupe aussi immense, il faut examiner de plus près l'échiquier du débit.

Glen Zimmerman, l'un des propriétaires de Raytec, envisageait depuis des années la découpe laser haute puissance. "En découpe laser, vous devez rester à jour ou vous serez hors jeu", a déclaré Zimmerman. "La technologie évolue si rapidement."

Il ne recherchait pas une puissance laser élevée pour se vanter, mais parce que la technologie correspondait à la stratégie de croissance globale de l'atelier. Le grand-père de Zimmerman a fondé Raytec en tant que petite boutique fab en 1956 (la boutique porte le nom du père de Zimmerman, Raymond). L'entreprise s'est développée en offrant des produits pour les industries du bâtiment et de l'agriculture, des composants de gouttières résidentielles aux chariots spécialisés utilisés dans les fermes laitières et porcines.

Au fur et à mesure que la collection d'équipements de fabrication CNC de l'entreprise augmentait, sa demande de travail en atelier augmentait également. Aujourd'hui, l'usine de New Holland, en Pennsylvanie, de la société produit un mélange de travail en atelier ainsi que des pièces en tôle pour ses propres gammes de produits. Une usine à proximité d'Ephrata et un site dans le Missouri effectuent l'emboutissage et le profilage pour les gammes de produits de construction de l'entreprise.

L'usine de New Holland, qui dessert les trois activités (produits de construction, produits agricoles et travail en atelier), dispose d'un espace limité. Tirer le meilleur parti de cet espace a dicté la stratégie d'investissement en équipement de l'atelier depuis l'achat de ses premières machines de découpe laser CO2 à la fin des années 1990. Il a remplacé ceux-ci par un laser à fibre de 4 kW dans les années 2010. Et puis, en 2019, l'atelier a fait son premier plongeon dans la puissance laser ultra-élevée, en achetant un laser à fibre de 15 kW. En 2020, le magasin a suivi cela avec un autre laser à fibre, celui-ci tout de 20 kW. Les deux sont des systèmes laser Eagle.

Dans la découpe de tôles et de plaques, le laser à fibre lui-même n'a pas été la contrainte. La puissance laser à fibre époustouflante existe depuis des années et est utilisée dans des applications de soudage spécialisées, militaires et autres. La contrainte a été la machine de découpe laser elle-même, en particulier la tête de découpe laser.

La tête de coupe a été le talon d'Achille de la découpe laser à ultra haute puissance. Une machine peut avoir un châssis solide, des entraînements linéaires et des vitesses de coupe très élevées, mais tous ces avantages disparaissent si un atelier continue de souffler des têtes de coupe. Et ce n'est généralement pas faute d'entretien. Des faisceaux laser extraordinairement puissants nécessitent des optiques extraordinairement propres. La plus petite imperfection, comme des débris infinitésimaux qui tombent d'un composant mobile à l'intérieur de la tête, peut provoquer une accumulation incontrôlable de chaleur. De même, le remplacement continu du verre de protection n'aide pas non plus la propreté ou le débit ; les lunettes de protection ne sont pas gratuites.

Le brut est mis en scène pour la découpe au laser. Le travail s'écoule rapidement du découpage au pliage et à l'insertion du matériel de l'autre côté de l'usine.

Cependant, les dernières têtes de coupe changent la donne, ce qui est l'une des principales raisons pour lesquelles de plus en plus de machines de plus de 10 kW arrivent sur le marché. "Nous avions observé le laser de haute puissance pendant des années", a déclaré Zimmerman. "Nous savions que certains ateliers commençaient à essayer des machines de 12 kW et plus, mais nous savions aussi qu'ils avaient des problèmes avec les têtes de coupe."

Les machines Eagle de l'atelier de Zimmerman n'ont aucune pièce mobile dans le trajet du faisceau dans la tête, et les composants de collimation sont positionnés à l'extérieur de la tête elle-même. Le couvercle en verre est également encastré loin à l'intérieur de la cavité de la tête. Les débris de perçage ou de coupe doivent se frayer un chemin de 14 pouces à travers un flux descendant de gaz d'assistance pour atteindre la vitre de protection.

Enfin, il y a la densité d'énergie du faisceau qui, précise le constructeur de la machine, est diminuée par les grands éléments optiques. "Lorsque nous avons examiné ces lasers à fibre, nous avons analysé la quantité de contraintes traversant la lentille de coupe", a déclaré Zimmerman. "Avec ces nouvelles machines, nous voyons qu'elles peuvent envoyer 15 kW dans une zone avec une densité d'énergie inférieure à celle de notre ancien laser à fibre de 4 kW."

Lorsque les gens pensent aux lasers à fibre ultra-puissants, ils pensent automatiquement au papier épais. Mais comme l'a expliqué Zimmerman, ce n'est pas la raison pour laquelle Raytec s'est lancée dans la mêlée de la découpe laser à deux chiffres. Bien sûr, la société a coupé 0,75 po. stock, et il expérimente des mélanges de gaz et des paramètres laser pour rendre sa découpe de plaques épaisses encore plus efficace, mais ce n'est pas la raison pour laquelle le fabricant dispose de deux machines à très haute puissance.

Le marché de Raytec pour la découpe au laser de plaques ultra-épaisses est petit, du moins par rapport au marché de 0,25 pouce d'épaisseur et moins. Bien sûr, l'atelier pourrait créer un créneau solide, peut-être prendre du travail sur d'autres opérations de découpe thermique qui, en raison des exigences critiques en matière de bords, sont suivies d'un usinage des bords. Si un laser peut éliminer une étape d'usinage, il peut faire économiser beaucoup d'argent à un client.

Ces niches peuvent diversifier le portefeuille d'emplois d'un magasin, mais la demande pour une telle coupe pourrait ne pas être suffisante pour être un moteur de revenus principal. Comme Zimmerman l'a expliqué, le potentiel de débit a conduit l'opération vers de telles machines à haute puissance. Les deux nouveaux lasers confèrent à Raytec un débit de coupe exceptionnel - la capacité de couper plus en moins de temps, en particulier dans les matériaux de 0,25 pouce et moins - permettant à l'atelier de proposer des travaux extrêmement compétitifs. Ils donnent également à l'atelier une capacité suffisante pour les travaux nécessitant un formage et du matériel en aval ainsi que pour les travaux de coupe uniquement. L'augmentation du débit modifie l'équation des coûts et des prix, ce qui pourrait entraîner plus de travail dans le domaine de la découpe au laser.

Bien sûr, l'analyse de rentabilisation n'a de sens que si l'opération peut effectivement augmenter le débit. Comme une voiture de course finement réglée, un atelier de fabrication avec une découpe laser ultra-puissante a besoin de chaque variable opérationnelle réglée pour un débit et un rendement de matériau maximaux.

Peut-on remplir une feuille ? "Cela commence par la communication avec votre client", a déclaré Zimmerman, en particulier en ce qui concerne l'utilisation des feuilles et des plaques. Un travail qui remplit une taille de feuille standard augmente le rendement des matériaux et peut faire économiser de l'argent au client tout en simplifiant le flux de pièces et la gestion des chutes.

Achats de matières premières. Cette communication se répercute sur les achats de matières premières. La découpe au laser, comme toutes les découpes thermiques, libère des contraintes résiduelles dans la tôle et les pièces peuvent se courber ou se déformer d'une manière ou d'une autre. La technologie de la machine de découpe laser peut empêcher une telle courbure d'entraver le débit (comme décrit plus loin), mais aucune machine de découpe laser ne peut modifier la physique de la tôle et de la plaque.

Comme l'a expliqué Zimmerman, si des pièces très courbées nécessitaient un nivellement avant d'être envoyées aux processus en aval ou au client, cette opération secondaire augmenterait les coûts et entraverait le débit optimal. Toute la vitesse de coupe du monde n'a pas d'importance si une pièce nécessite une étape de nivellement ou une quantité importante de retouches.

Deux lasers ultra haute puissance ont une automatisation du chargement ; le déchargement partiel est géré par des techniques conventionnelles.

Qualité des bords, puissance et gaz d'assistance. Le même argument vaut pour l'ébavurage des pièces plates. Raytec dispose d'une machine d'ébavurage de pièces plates et, comme l'a expliqué Zimmerman, certains travaux nécessitent des arêtes que le laser et le poinçon ne peuvent tout simplement pas produire seuls. Mais ce sont l'exception, pas la règle. Les opérations de coupe minimisent le besoin d'ébavurage avec un contrôle du faisceau et une vitesse hautement contrôlée autour des coins et des contours ; la tête de coupe des machines est entraînée linéairement, et non à crémaillère et pignons.

L'atelier fait également un usage stratégique du gaz d'assistance, en utilisant soit de l'azote pur, soit, pour le papier épais (7 ga. et plus) normalement sensible aux scories, un mélange soigneusement contrôlé d'azote et d'oxygène. L'azote évacue le matériau fondu et permet au laser de maintenir sa vitesse, tandis que l'oxygène fournit une action de combustion qui, lorsqu'elle est correctement réglée, peut laisser un bord propre.

Comme l'a dit Zimmerman, "Lorsque vous atteignez une puissance laser suffisante, vous pouvez commencer à faire des choses uniques avec un mélange de gaz d'assistance qui n'auront pas le même effet lorsque vous aurez la moitié de la puissance laser."

Performances de coupe. Bien que la réduction de pouces par minute joue toujours un rôle dans le débit, l'IPM n'est toujours qu'une pièce du puzzle, et c'est une pièce qui doit être considérée dans un contexte plus large. La vitesse d'une tête de coupe en ligne droite est une chose, mais qu'en est-il des coins et des contours ? Qu'en est-il du cycle de perçage et, d'ailleurs, de la stabilité globale du processus ?

C'est ici, a déclaré Zimmerman, que les entraînements linéaires jouent un rôle. Les deux systèmes Eagle ont des entraînements linéaires en X, Y et Z. Le X et le Y permettent une accélération élevée, tous de 6 G, selon le constructeur de la machine. Une accélération rapide signifie des temps de déplacement rapides de coupe à coupe, bien sûr, mais elle a une autre implication pour la découpe laser à ultra haute puissance : l'utilisation de la puissance laser complète (et, par conséquent, de la vitesse maximale) sur une plus grande partie de l'ensemble du nid.

Si une tête à accélération lente coupe de longues rainures droites sur une feuille, elle a suffisamment de temps pour accélérer à pleine vitesse et utiliser pleinement la puissance de son laser. Mais si cette même tête passe la majeure partie de son cycle de coupe à accélérer et décélérer dans chaque coupe alors qu'elle négocie à travers des motifs et des trous complexes, elle n'atteint jamais son IPM maximum pour l'épaisseur et la qualité du matériau qu'elle coupe, donc (au moins du point de vue de la vitesse de coupe ) il n'y a pas besoin d'un tel niveau de puissance laser.

Et comme l'a noté Zimmerman, le mouvement rapide d'un axe Z linéaire est particulièrement important. Tout d'abord, cela permet à la tête de percer plus haut sur certaines géométries de trous, puis de descendre immédiatement pour couper.

"C'est aussi un gros problème avec les basculements de pièces et la prévention des collisions de la tête", a déclaré Zimmerman, ajoutant que les capteurs sur la tête (et via d'autres attributs de conception de la tête) détectent rapidement les contacts et les basculements des pièces. Une fois que la tête détecte une telle instabilité du processus, elle s'arrête immédiatement et se lève instantanément. "Il se recentre ensuite automatiquement et, s'il le peut, corrige le problème et continue, en continuant là où il s'était arrêté."

La tête dispose de plusieurs autres protections contre les collisions au-delà des capteurs capacitifs, chacune d'entre elles s'activant en fonction de la nature du risque de collision. Quoi qu'il en soit, a déclaré Zimmerman, lorsque la découpe au laser est si rapide, il est essentiel d'avoir des niveaux élevés de protection contre les collisions pour maintenir la stabilité du processus et un débit maximal.

Chargement des matériaux et déchargement des pièces. Les machines de découpe laser à fibre devenant de plus en plus puissantes, "l'alimentation de la bête" devient une préoccupation majeure, d'où le besoin d'alimentations automatisées en matière avec un changement de palette rapide. Zimmerman a déclaré que l'atelier avait investi dans un chargeur/déchargeur automatisé, mais pas dans un système complet de stockage en tour (bien que Raytec ait une solution alternative en préparation). L'espace au sol est limité et, de plus, "quand on y pense, l'alimentation du système est la partie la plus facile. Le déchargement et le tri des pièces sont un tout autre animal".

Raytec dispose d'un mélange de technologies de pliage, y compris une plieuse CNC, plusieurs presses plieuses et (photo) une cellule TRUMPF composée d'une presse plieuse automatisée dédiée aux petites pièces.

Selon Zimmerman, le mélange de pièces de Raytec est tel que le tri automatisé ou robotisé des pièces n'est pas une option, du moins actuellement. (Cependant, l'atelier utilise fortement l'automatisation du tri pour le poinçonnage, comme nous le verrons bientôt.) De plus, comme les machines de découpe laser atteignent des vitesses extrêmes, les temps de cycle de découpe sont extrêmement courts. En d'autres termes, au moins pour le fonctionnement de Raytec, le tri automatisé des pièces créerait un goulot d'étranglement. Alors maintenant, les lasers se déchargent sur une table séparée où une équipe désempile la feuille en utilisant des méthodes traditionnelles.

Cela dit, Zimmerman sait que le tri chaotique des pièces peut également être un goulot d'étranglement et une contrainte sévère sur le débit, en particulier si un mauvais tri entraîne des pièces perdues ou endommagées qui doivent être recoupées. C'est là que l'imbrication stratégique entre en jeu.

Tout d'abord, la boutique minimise les nids avec des restes. Encore une fois, cela se produit grâce à une bonne communication avec le client (ajuster une commande pour qu'elle remplisse une feuille) ainsi qu'à travers l'utilisation stratégique de pièces de remplissage fabriquées en stock, soit pour des travaux d'atelier commandés de manière cohérente, soit pour des pièces pour la propre gamme de produits de Raytec.

Vient ensuite la stratégie d'imbrication proprement dite, un exercice d'équilibre entre un rendement matière élevé, une stabilité optimale du processus, des contraintes de grain pour des raisons de flexion ou esthétiques et, encore une fois, la facilité de tri des pièces. L'onglet au bon endroit aide à maintenir les pièces en sécurité et à les empêcher de créer un risque de collision à la tête. D'un autre côté, une tabulation excessive - soit en utiliser trop, soit en les rendant trop épais, soit les deux - peut faire partie du dénichage d'un ours.

En fait, l'idéal absolu pour l'efficacité de coupe, le rendement des matériaux et la facilité de tri est la coupe en ligne commune sans aucune languette. Selon Zimmerman, les problèmes de qualité des bords sur deux pièces de coupe commune ne sont généralement pas un problème, mais l'intégrité du squelette peut être un problème. Alors les programmeurs coupent là où ils le peuvent ; s'imbriquer avec des sections Web si nécessaire ; orientez la dimension la plus longue des pièces perpendiculairement aux lattes afin que les pièces restent stables même sans tabulation ; et, enfin, ne tabulez que lorsque cela est nécessaire.

Les opérateurs observent également l'action de coupe et, si nécessaire, ajustent la tabulation dans le programme directement sur la commande de la machine. "Sur les nouvelles machines, l'opérateur peut en fait ajouter des onglets à des fonctionnalités qui n'en avaient pas", a déclaré Zimmerman, "et supprimer efficacement des onglets d'autres fonctionnalités directement aux commandes, à la volée."

Les opérateurs peuvent également ajuster l'épaisseur d'un onglet. Zimmerman a déclaré que pour la plupart, les opérateurs choisissent de rendre les onglets plus robustes pour assurer la stabilité du processus ; le risque d'écrasement de la tête est bien pire qu'un processus de démêlage légèrement moins efficace. Mais les programmeurs s'assurent également de ne pas abuser des onglets et de rendre le shake-and-break plus difficile que nécessaire.

La coupe du squelette joue également un rôle. La coupe en squelette est une pratique courante sur les tables oxygaz et plasma coupant des tôles épaisses; c'est un moyen plus rapide d'enlever la ferraille et cela n'immobilise pas une grue. Pour les lasers coupant des tôles ou des plaques minces, c'était une autre histoire, jusqu'à ce que, c'est-à-dire, la vitesse de coupe extrême ait rendu ces pouces supplémentaires de trait de scie, faits pour hacher le squelette, essentiellement hors de propos. Encore une fois, parce que les lasers ultra-puissants sont si rapides, couper des parties du squelette, ce qui facilite à la fois le démêlage et la collecte des déchets, devient une évidence.

Identification des pièces. Une pièce perdue entrave doublement le débit. L'opération passe du temps à découper la pièce, à la rechercher et éventuellement à la recouper si elle n'est pas trouvée. Pour certains travaux chez Raytec, un léger changement dans l'emplacement du trou peut être tout ce qui différencie une pièce d'une autre.

L'opération aborde l'identification des pièces sur plusieurs fronts. Tout d'abord, il marque au laser les pièces sur la machine quand il le peut. Deuxièmement, Raytec ne s'appuie pas uniquement sur la découpe au laser pour ses besoins de découpage. Il dispose également d'un poinçon/cisaillement Prima Power entièrement automatisé. Une partie de cela est liée à des caractéristiques formées telles que des gaufrages que seuls les outils de poinçonnage peuvent créer. Le poinçon/cisaillement a également un taraudage intégré. Mais cela a aussi à voir avec les défis d'identification des pièces que, comme l'a expliqué Zimmerman, le tri automatisé du poinçon/cisaille aide à surmonter. Certes, les pièces sont envoyées dans l'une des quatre goulottes ; ils ne sont pas empilés soigneusement. Quoi qu'il en soit, les pièces sont automatiquement séparées de la ferraille, qui est elle-même découpée et envoyée dans un bac final pour être recyclée.

Cette pièce de 0,75 pouce d'épaisseur dans l'état brut de coupe a été découpée au laser avec un gaz d'assistance mélangé à l'azote et à l'oxygène.

"Cette machine traite beaucoup de pièces où, quand vous les regardez, vous pouvez à peine les distinguer", a déclaré Zimmerman. "Les emplacements des trous sont tellement similaires. Mais [sur le poinçon/cisaillement] avec la séparation automatique, nous n'avons pas à nous soucier du tri de ces pièces."

Capacité de formage. Raytec dispose d'un service de soudage par points et d'insertion de matériel, mais l'usine de New Holland ne dispose pas d'un service de soudage, ce qui est une contrainte courante dans le cycle coupe-formage-soudage-meulage-finition-expédition. La société propose le formage avec cinq presses plieuses ; une plieuse CNC; et son investissement de formage le plus récent et le plus important à ce jour, un centre de formage robotisé TRUMPF conçu pour le pliage de petites pièces.

"Cela nous a permis de retirer les petites pièces fastidieuses et chronophages de nos autres presses plieuses et d'automatiser complètement notre opération de pliage de petites pièces", a déclaré Zimmerman. "Cela nous a sauvé la vie pour la formation de nos petites pièces. Nous faisons fonctionner cette chose 24 heures sur 24."

Il a concédé que, oui, avec l'énorme capacité de coupe de l'atelier, le pliage est toujours l'opération de contrainte, mais le mélange de technologies de formage rend cette contrainte beaucoup moins sévère. En fait, le pliage automatisé de petites pièces et la plieuse emportent le travail le moins productif sur les presses plieuses CNC conventionnelles. Grâce au dossier, les opérateurs de frein n'ont pas à lutter pour supporter une grande pièce lorsqu'elle se relève pour former une bride étroite ; grâce au frein robotisé pour les petites pièces, ils n'ont pas non plus besoin d'attacher un lit de presse plieuse large avec un ensemble de poinçons et de matrices étroits pour plier de petits supports.

Le mélange de technologies de formage aide à maintenir le flux. Et avec une telle capacité de découpe, l'entreprise pourrait ajouter encore plus de presses plieuses et d'autres équipements de formage pour augmenter encore plus le débit.

"Lorsque la pandémie a commencé, nous ne savions pas trop à quoi nous attendre", a déclaré Zimmerman. "Notre tendance naturelle était de nous retirer, car de mauvaises choses allaient se produire avec autant de perturbations du marché. Mais nous avons vécu le contraire. Pour à peu près tous les segments d'activité que nous servons, c'était juste très occupé. En fait, certains mois, nous poussions une croissance de 40 % d'une année sur l'autre."

D'ici la fin de l'année, le chiffre d'affaires 2020 pourrait dépasser le chiffre d'affaires 2019 de 20 à 25 %. L'usine New Holland n'emploie que 15 personnes et l'entreprise compte 46 employés dans toutes les installations.

"Nous nous sentons très chanceux et bénis. Et nous étions si heureux d'avoir l'équipement dont nous disposons. Nous avons pu augmenter le débit sans avoir à augmenter la main-d'œuvre."

Voilà en quelques mots l'histoire de la fabrication métallique : l'augmentation du débit (ventes) par employé rend chaque employé plus essentiel au succès de l'atelier, et la technologie a donné à ces employés les outils nécessaires pour que ce succès se produise.

Un laser de 15 kW de Raytec LLC effectue un perçage. Pour protéger l'optique sensible des éclaboussures, le verre de protection est encastré.