Découpe et gravure laser

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1 Introduction

Selon Wikipédia, «la découpe laser est un procédé de fabrication qui consiste à découper la matière grâce à une grande quantité d’énergie générée par un laser et concentrée sur une très faible surface. Cette technologie est majoritairement destinée aux chaînes de production industrielles, mais peut également convenir aux boutiques, aux établissements professionnels et aux tiers-lieux de fabrication.» La gravure laser se fait avec la même technologie, mais en utilisant une puissance laser réduite.

LASER signifie amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement:

L Light
A Amplification
S by Stimulated
E Emission
R of Radiation

Il existe trois principaux types de lasers :

  • les lasers CO2 (majorité des lasers sur le marché). Généralement, le laser CO2 utilise un mélange gazeux couplé à une décharge électrique pour produire le faisceau laser,
  • les lasers YAG (ou Grenat d'Yttrium et d'Aluminium). Le faisceau laser est produit par l'excitation d'un cristal de synthèse par une décharge électrique ou une source lumineuse,
  • les lasers à fibres optiques (développement le plus récent en matière de découpe laser). Le faisceau laser est généré dans une fibre active et acheminé au moyen d’une fibre de transport vers la tête de découpe de la machine.

Au TECFA, on utilise une machine laser CO2, la Trotec Speedy 100R

Pour la découpe et la gravure laser, plusieurs types de matériaux peuvent être utilisés. Les plus couramment utilisés sont le contreplaqué, l'acrylique (e.g. Plexiglas), le carton, le RFL (Resorcinol Formaldehyde Latex - pour la fabrication de tampon encreur) et le MDF.

Illustration en vidéo du fonctionnement d'une machine laser

2 La découpe laser

2.1 Principe de base

Principe atomique du LASER

Le faisceau laser est généré par l'excitation d'un atome de matière LASER (solide, liquide ou gazeux - dans notre cas CO2). Cette excitation est alimentée par pompage. Le pompage consiste à envoyer un photon sur l'atome à l'aide d'une source d'énergie externe, que ce soit une décharge électrique, une source de lumière, voire un gaz. Dans une première phase, ce photon va donc exciter le matériau LASER en le faisant changer d'état électronique, il sera donc chargé d'un photon. Puis, dans une deuxième phase, un deuxième photon va être bombardé sur l'atome, cette fois excité, ce qui aura pour effet de le décharger de deux photons en même temps. Ce processus en 2 phases va être répété autant que nécessaire, soit de manière continu, soit pulsé.

Notons que cette opération engendre deux effets fondamentaux :

l'émission monochromatique d'un flux de lumière à une seule longueur d'onde en fonction du matériau Laser utilisé. Ce dernier déterminant les applications possibles du laser,
la cohérence dans le temps (toutes les ondes sont en phase), et dans l'espace (le faisceau est unidirectionnel).

2.2 Principe de la source laser

Schéma d'une source LASER

C'est donc dans la source laser que le faisceau est généré. Plus concrètement c'est ce mouvement d'allers et venus, que l'on appelle donc pompage, qui va créer le faisceau à faible densité en sortie.

En fait, le tube laser possède deux miroirs :

Le miroir arrière qui va refléter toutes particules de lumière en retour,
Et le miroir de sortie, qui lui est semi-transparent, c'est-à-dire qu'il laisse passer une infime quantité de lumière et renvoie le reste en retour.

2.3 Le parcours du faisceau dans la machine

Voici une illustration du parcours du faisceau dans la machine :

Chemin parcouru par le faisceau LASER

Le faisceau parcourt 5 segments :

  • Le laser se dirige vers le miroir fixe à l'arrière de la machine
  • Puis, du miroir fixe vers un miroir mobile (le miroir de l'axe Y)
  • Puis ce miroir mobile va renvoyer le faisceau vers le miroir de renvoi (axe X)
  • Puis du miroir de renvoi à la lentille de focalisation
  • Enfin, de la lentille de focalisation au matériau à découper.

Pour procéder à la gravure/découpe laser, le faisceau se déplace dans deux directions : à l'horizontale (axe X) et à la verticale (axe Y). Le déplacement se fait simultanément : on parle alors de déplacement interpolés. Les chemins de découpe sont donc des lignes vectorielles - ou des arcs de cercle - la tête du laser se déplaçant le long de ces lignes par un mouvement combiné, ou pas, suivant les axes "X" et "Y".

2.4 La tête laser

Schéma explicatif tête LASER

Vous l'aurez compris, c'est dans la tête laser que le faisceau est dirigé. En partant du miroir de renvoi situé au sommet de celle-ci. Ce miroir étant, à l'instar des autres, réglable à l'aide de vis pointeaux, afin de garantir la meilleur focalisation possible. Le but étant de concentrer à très forte densité le faisceau laser, et ce, au moyen de la lentille de focalisation qui le dirige en un point vers le matériau à découper.

En résumé, le principe du laser (i.e de la création du faisceau laser) est de concentrer une quantité importante d'énergie, sous forme de lumière, sur une très faible surface.

ATTENTION : comme nous l'avons dit précédemment, le laser peut découper plusieurs types de matériaux; il est donc essentiel que les paramètres (puissance du laser, vitesse, etc.) de la machine soient parfaitement adaptés au type de matériaux utilisé (voir : Trotec 100 R Material settings table) car la mauvaise utilisation de la machine peut être potentiellement dangereuse et notamment prendre feu.

2.5 Résultats sur le matériau

La focalisation du laser sur le matériau peut le faire :

  • Fondre
  • Brûler
  • Se vaporiser

Pour ces 3 opérations, il convient de régler les paramètres de la machine, notamment :

  • la puissance (en % des W, par ex 50% veut dire 25W pour une machine qui fait 50W)
  • la vitesse
  • la résolution (DPI)
A noter que la coupe laissera une trace de suie pour la grande majorité des matériaux comme le bois et le carton (mais pas l’acrylique). Cette trace pouvant être aisément enlevée par un ponçage léger.
Pour les réglages, se référer à l'article Trotec Speedy 100R ou au manuel d'instruction de la machine Speedy 100R manual.

Cependant, retenez que : plus la puissance est faible, plus la découpe sera nette mais plus le temps de découpe sera long... tout est une question de compromis !

3 La gravure laser

3.1 Principes de la gravure laser

La gravure laser consiste à enlever une fine couche de matière. Lors de la gravure, l'intensité du rayonnement laser fait fondre ou s'évaporer le matériau (il est "usé" par le laser). On parle de "gravure" laser car le marquage est définitif.

L'utilisation de la gravure laser permet le marquage de "précision" (comptez 1/10e de millimètre) :

  • De tous les matériaux de type organique, minéral, céramique ou plastique, tel que : carton, bois, béton, céramique, acrylique (Plexiglas), etc.
  • Sous toutes les formes: carré, circulaire, convexes, concaves ou toute autre forme.
  • De tous les caractères : chiffre, lettre, dessin, logo, sigles etc.

ATTENTION : ne jamais regarder le faisceau lumineux directement ! Il y a un risque pour vos yeux !

3.2 Fonctionnement de la gravure laser

Le parcours du faisceau est le même que celui de la découpe : cf. plus haut.

Il existe deux types de gravure laser dont chacun travaille la matière différemment :

  • La gravure vectorielle: le rayon laser va graver l'image en suivant ses contours. Cette méthode est plus adaptée pour des matières comme le cuir, le plexiglas, le verre ou certains métaux.
  • La gravure en trames : le rayon laser va graver ligne par ligne la couche supérieure du matériau (i.e le faisceau se déplace à l'horizontale/ou à la verticale). Le résultat est une gravure monochrome de haute qualité. Cette méthode a été utilisée pour les badges mono-chrome réalisés pour l'étage TECFA du bâtiment Pignon en 2016: Voir la page Module 1 sous 4. Liste des productions.

La gravure sur machine laser est semblable à une imprimante. La tête du laser se déplace de gauche à droite le long de l'axe "X" de manière très rapide ; le déplacement sur l'axe "Y" est, quant à lui, très lent. On peut par contre inverser cette logique dans les cas nécessaires, la machine se déplaçant selon l'axe "Y" très rapidement ; avec un déplacement lent en "X".

3.3 Résultats sur le matériau

Comme pour la découpe laser, la focalisation du laser sur le matériau peut le faire :

Fondre
Brûler
Se vaporiser

A noter que deux passages pour la gravure sont parfois utiles pour que le matériau soit bien gravé, notamment pour le contreplaqué bouleau.

4 Sécurité

4.1 Mise en garde

Une découpeuse laser peut être extrêmement dangereuse:

Les vapeurs peuvent être toxiques. Au point de rendre malade, infertile, voire, causer la mort lors d'expositions longues et répétées,
Les faisceaux laser (qui sont invisibles à l'oeil nu) peuvent vous rendre aveugle.

4.2 Précautions

La machine doit :

Être pourvue de protections,
Être doté d'un système de filtrage d'air,
Être conforme aux règlements pour les classes de faisceaux laser.

Le matériau utilisé pour la découpe / gravure :

Il est strictement interdit d'introduire dans la machine tout ce qui inclut du chlore (e.g. PVC). Ceci causerait de graves dégâts aux axes machine. Sans compter que le gaz produit lors de la découpe du PVC est létal,
Il est également à éviter les bois à base de colle composite, tel que le MDF. En effet, le formaldéhyde qui s'en dégage lors de la découpe (voire même lors du stockage) est reconnu comme cancérogène.

Le personnel doit :

Porter des lunettes adaptées à la longueur d'onde du LASER (si la machine ne possède pas de filtre adéquat),
Porter un masque de filtration lors des travaux prolongés et dans les endroits mal ventilés,
Dans la mesure du possible, il est recommandé d'être au minimum deux personnes pour l'utilisation de la machine. Un départ de feu est très vite arrivé et la réactivité est le maître mot dans ces circonstances.

4.3 Plans de maintenance

Une découpeuse laser doit être régulièrement maintenue. Il faut notamment veiller à nettoyer la lentille de focalisation ainsi que le dernier miroir de renvoi car ils sont exposés à la poussière.

Tableau de maintenance
Tous les jours Toutes les semaines Tous les mois Tous les ans
Laser
Lentilles, Miroirs Vérifier le nettoyage si nécessaire
Table de gravure et règles A nettoyer
Couvercle du tube laser et du boîtier A nettoyer
Zone de travail complète A nettoyer
Système d'échappement
Sac de filtration Nettoyer selon les instructions du manuel technique de la machine
Lit de filtration
Filtres à particules
Filtre à charbon actif

5 Ressources