Dans le monde de la découpe laser à fibre, la taille du spot joue un rôle essentiel dans l'obtention de résultats optimaux : de la précision à l'efficacité, elle affecte de manière significative divers aspects du processus de découpe laser.
Qu'est-ce que la taille des points ?
Avant d'examiner les raisons pour lesquelles la taille du spot est si importante, il convient de définir ce qu'est la taille du spot. La taille du spot fait référence au diamètre du faisceau laser à son point de focalisation. En d'autres termes, il s'agit de la zone où l'énergie du laser est concentrée sur la surface du matériau. Une partie de cette énergie est absorbée par le matériau, ce qui entraîne une fusion localisée. Dans la découpe des métaux par laser à fibre, un gaz d'assistance à haute pression délivré par une tête de découpe est utilisé pour expulser le métal liquide, créant ainsi une coupe au fur et à mesure que le faisceau se déplace sur la pièce, la "largeur du trait de scie" étant fonction de la taille du point.
Qu'est-ce qui influe sur la taille des taches ?
La taille du spot est influencée par plusieurs paramètres, notamment la longueur d'onde du laser, la taille du faisceau au niveau de la lentille et la longueur focale de la lentille de focalisation, qui ont tous un effet profond sur le processus de découpe. Des longueurs d'onde plus importantes entraînent des tailles de spot plus grandes pour des configurations optiques identiques. Les lasers à fibre Ytterbium d'une longueur d'onde de 1070 nm ont des tailles de spot plus petites que les lasersCO2 qui fonctionnent à des longueurs d'onde plus grandes, autour de 10 600 nm, et conduisent à des tailles de spot plus grandes.
Lors de l'utilisation d'un faisceau à base de fibres, la taille du spot peut être calculée sur la base du diamètre de la fibre et de la longueur focale du collimateur (qui définissent tous deux la taille du faisceau au niveau de l'optique de focalisation) et de la longueur focale de l'optique de focalisation (voir la figure 1). L'augmentation de la longueur focale de l'objectif de focalisation entraîne des tailles de spot plus importantes, tandis que l'augmentation de la taille du faisceau au niveau de la lentille entraîne des tailles de spot plus petites (tant que le faisceau est maintenu dans une taille au niveau de la lentille qui permet des performances limitées par la diffraction).
Figure 1 : Calcul de la taille du spot pour l'envoi de faisceaux de fibres optiques
Précision de coupe : plus c'est petit, mieux c'est
La réduction de la taille des points dans les opérations de découpe laser offre une précision et une résolution accrues, car l'énergie laser est concentrée dans une zone plus petite, ce qui facilite l'enlèvement précis de matière. Cela permet de réaliser des conceptions complexes, des détails plus fins et des tolérances plus serrées. En outre, les kerfs plus petits résultant des tailles de spot plus étroites permettent une imbrication plus étroite des pièces, optimisant ainsi l'utilisation des matériaux et minimisant les déchets dans le processus de fabrication.
Vitesse de coupe et qualité : Trouver l'équilibre
Dans la recherche de l'équilibre parfait entre vitesse de coupe et qualité, l'interaction entre les paramètres du laser devient cruciale. La densité d'énergie joue un rôle essentiel, la taille réduite du spot permettant de consolider l'énergie du laser dans une zone plus petite. Cela permet d'obtenir la même densité d'énergie avec des lasers moins puissants.
Cependant, la relation entre la taille du spot et l'épaisseur du matériau est complexe. Alors qu'une densité d'énergie minimale est nécessaire pour obtenir une fusion sur toute l'épaisseur du matériau, la taille du spot doit être suffisamment grande pour permettre l'expulsion efficace du matériau fondu. Plus l'épaisseur du matériau augmente, plus la taille du point doit être importante pour maintenir la qualité et la vitesse de coupe. En outre, la taille optimale du spot dépend également des propriétés du matériau, telles que la conductivité thermique et la viscosité.
La profondeur de champ, corrélée à la taille du spot, doit également faire l'objet d'une attention particulière. Les spots de petite taille sont corrélés à une profondeur de champ plus courte, qui est généralement définie comme la distance à partir de la taille du faisceau à laquelle la surface du faisceau double. À des distances supérieures à la profondeur de champ, la qualité de la coupe commence à être affectée. Il est donc impératif de trouver l'équilibre délicat entre la taille du spot, la densité d'énergie et la profondeur de champ pour obtenir les résultats de coupe souhaités sans compromettre la vitesse ou la qualité.
Trouver l'équilibre pour une découpe laser optimale
Tout bien considéré, les fabricants doivent trouver un équilibre. Pour les matériaux plus épais, une taille de spot plus importante peut être préférable pour maintenir la qualité et la vitesse de coupe. En revanche, pour les travaux complexes ou les matériaux minces, il est préférable d'opter pour des tailles de spot plus petites. Les fabricants choisissent généralement une configuration optimale d'émission du faisceau, qui se traduit par une taille de spot la plus adaptée à la puissance laser disponible et aux matériaux et épaisseurs à découper, dans le but d'atteindre l'équilibre parfait entre la précision, la qualité de la découpe et le débit.
