La mise en forme du faisceau aide les lasers à fibre à couper des pièces métalliques minces et épaisses

Sep 05, 2023

Les lasers à fibre commencent à utiliser une technologie de mise en forme du faisceau qui modifie le profil énergétique du faisceau pour répondre aux besoins de coupe de l'application. Optonique Mazak

Les fabricants de métaux qui sont dans le secteur depuis un certain temps peuvent être sentimentaux à propos du laser CO2. Bien sûr, l'entretien de la machine n'était pas simple, mais un système finement réglé, avec le faisceau centré dans la buse et un chemin de faisceau exempt de débris, pouvait fournir des bords lisses et sans scories. Pendant la majeure partie des 10 dernières années, les fabricants qui recherchaient la qualité des bords (surtout sur plaque) ont choisi un système au CO2, tandis que ceux qui avaient besoin de vitesse ont choisi le laser à fibre. Ce calcul, cependant, commence à changer.

"La force brute de la puissance totale du laser à fibre n'est pas la réponse."

C'est ce qu'a déclaré Al Bohlen, président de Mazak Optonics, lors d'une journée portes ouvertes fin avril à l'usine d'Elgin, dans l'Illinois, un événement au cours duquel la société a officiellement présenté sa machine de découpe laser à fibre optique OPTIPLEX 3015 NEO de 15 kW.

Ces dernières années, les fournisseurs de machines laser ont introduit des innovations qui modifient les caractéristiques du faisceau dans le but d'étendre les capacités du laser à fibre pour couper efficacement une gamme de qualités et d'épaisseurs de matériaux, pas seulement des tôles minces. Lors de son événement d'avril, Mazak Optonics a décrit son approche pour rendre le laser à fibre plus flexible.

Comme Bohlen l'a expliqué, le système utilise plus que la "force brute" de la puissance laser à haute fibre. Sa source laser à fibre nLight utilise une technologie de mise en forme du faisceau qui, associée à une tête de coupe Mazak, peut créer différents profils thermiques ainsi que différents diamètres de faisceau et longueurs focales pour produire des bords de haute qualité dans les matériaux fins et épais.

Plutôt que d'être acheminé via un câble à fibre optique unipolaire, le laser se déplace via un câble multiconducteur. Essentiellement, la technologie contrôle la façon dont la puissance est distribuée sur les multiples cœurs de la fibre. "Nous pouvons proportionner la puissance laser qui traverse chaque noyau", a déclaré Bohlen. "Cela nous permet de créer un noyau plus froid du faisceau et de concentrer plus d'énergie sur les bords extérieurs. Nous déplaçons la chaleur du laser à fibre à travers différents éléments du noyau et, ce faisant, nous créons différents modes."

Historiquement, la plupart des machines de découpe laser à fibre ont été vendues avec des lasers ayant un seul profil de faisceau, avec une densité de puissance élevée au centre et une faible densité de puissance sur les bords. "Cela crée une forme avec de la chaleur au centre, comme la pointe d'une lance. Une grande densité de puissance s'accompagne d'une incroyable capacité à couper très rapidement dans un matériau fin", a déclaré Bohlen. Mais à mesure que l'épaisseur du matériau augmente, la coupe avec un tel profil de puissance de faisceau devient plus difficile. "Le gaz d'assistance doit travailler très dur pour extraire le matériau fondu de la coupe", a déclaré Bohlen. "Il se fraye un chemin à travers le processus de coupe." Au fur et à mesure que le matériau s'épaissit, le flux de gaz tente d'inverser la direction et la coupe devient laitier, scories et fortes stries.

Au fil des ans, l'optique a pu augmenter le diamètre du faisceau laser à fibre, mais en utilisant le même profil de chaleur - haut au centre, bas sur les bords. La modification du profil du faisceau à la source, avant que la lumière n'atteigne la tête de coupe, crée une distribution d'énergie du faisceau avec plus d'énergie sur les bords et moins au centre.

"Avec tout cela, vous avez toujours besoin d'une tête de coupe intelligente qui peut prendre ce faisceau et en faire quelque chose", a expliqué Bohlen. Une nouvelle tête de coupe Mazak a des optiques qui peuvent accueillir le plus grand diamètre de faisceau émis par la fibre multicœur et l'envoyer à travers le centre d'un petit orifice de buse. "Nous pouvons prendre ce mode beignet et maintenant le rendre plus petit et contrôler son diamètre. La [tête de coupe] reste un ingrédient important de la recette."

La haute énergie à l'extérieur du faisceau laser aide également à lisser les stries et à éliminer la conicité, en particulier lors de la découpe de plaques très épaisses. Cette conicité est créée alors que le métal en fusion lutte pour s'évacuer dans le trait de scie étroit, avec un profil d'énergie de faisceau relativement froid sur les bords et chaud au centre. Les systèmes à jet d'eau et plasma peuvent incliner la torche pour éliminer la conicité. Maintenant, avec la découpe au laser à fibre utilisant le mode faisceau et le contrôle du diamètre, "je peux couper une pièce de 1 pouce d'épaisseur, parfaitement droite", a déclaré Bohlen.

Une telle technologie de mise en forme du faisceau n'est pas entièrement nouvelle. Mazak Optonics a présenté sa série OPTIPLEX S avec technologie de mise en forme de faisceau il y a quatre ans (le « S » signifie mise en forme de faisceau), comprenant un système de 4 et 7 kW. L'événement d'avril a dévoilé la technologie dans un système de 15 kW.

La vitesse de coupe de nombreux matériaux augmente plus rapidement que la puissance de coupe. Pour l'acier doux de 0,25 po d'épaisseur, la vitesse de coupe à l'azote passant de 10 kW à 15 kW peut doubler. "C'est le double de la vitesse, mais pas le double de la puissance", a déclaré Bohlen. "C'est parce que ce n'est pas seulement la puissance mais aussi le contrôle du mode qui vous donne une pièce propre et sans scories. Ce n'est pas seulement la force brute."

Bohlen a décrit des technologies de buse qui réduisent la perte de gaz d'assistance à l'azote et améliorent le flux de gaz d'assistance à travers le trait de scie. Il a discuté des progrès de la génération d'azote et des nouvelles capacités des mélanges de gaz ainsi que de la coupe de l'air. "Avec une puissance plus élevée, nous pouvons couper une plus grande gamme de matériaux et une plus grande gamme d'épaisseurs avec de l'air", a déclaré Bohlen, "pas avec de l'azote". Il a ajouté que les lasers ont besoin d'air propre, ultra-sec et à haute pression (400 PSI) produit par des systèmes spécialisés, très différents de l'air d'atelier standard. "Mais pour de nombreuses opérations, une fois que vous aurez investi dans de tels systèmes, vous pourrez couper presque tout ce dont vous avez besoin pour couper avec de l'air."

Bohlen a également décrit une nouvelle technologie de contrôle capable de gérer les changements de profils de faisceau à la volée, notamment l'utilisation d'un profil de faisceau pour le perçage et d'un autre pour la coupe. Il offre également ce que l'on appelle «l'imbrication de la caméra», où une caméra aérienne identifie l'espace disponible sur une feuille disponible pour la découpe, puis dessine à partir des pièces disponibles pour la remplir. Les opérateurs peuvent autoriser le contrôleur à remplir l'espace, ou ils peuvent placer les pièces manuellement.

Un nouveau panneau supérieur sur la commande de la machine peut gérer divers aspects de la planification et du contrôle de la production, ce qui peut être particulièrement critique pour les systèmes intégrés à l'automatisation. L'essor de l'automatisation de la découpe au laser a été difficile à ignorer, surtout au cours des trois dernières années. Selon Bohlen, alors que de nombreuses opérations parmi la clientèle de Mazak achètent encore des lasers autonomes, la plupart ne le restent pas.

"Environ 50 %, à peu près toutes les autres machines que nous vendons, sont automatisées depuis le début", a déclaré Bohlen. "Si nous incluons les machines autonomes qui ont été automatisées dans un délai de deux ans, ce nombre grimpe à 70 %. Ce nombre était de 30 % il y a à peine cinq ans."