Les connaissances traditionnelles relatives à la découpe de métaux épais à l'aide de lasers à fibre optique sont progressivement devenues obsolètes. Il est donc nécessaire de procéder à une nouvelle analyse des capacités respectives de la découpe laser et de la découpe plasma.
Les lasers à fibre haute puissance , désormais disponibles dans des puissances supérieures à 100 kilowatts, ont bouleversé la donne, remettant en question de nombreuses hypothèses de longue date concernant le coût, la vitesse et les performances. Plus important encore, ces découpeurs laser à fibre optique de plus grande puissance ne sont plus principalement limités aux métaux minces : ils surpassent désormais systématiquement les découpeurs plasma pour les épaisseurs de matériaux supérieures à 2 pouces (50 mm).
Ce guide modernisé présente un résumé des avancées technologiques à l'origine de ces changements et une comparaison fondée sur des données entre les lasers à fibre et les découpeurs plasma avant de répondre à la question cruciale : quand un découpeur laser est-il réellement plus économique qu'un découpeur plasma ?
Ces informations devraient vous aider à déterminer si une découpeuse laser peut offrir les performances, la productivité et le retour sur investissement qui répondent à vos besoins de production.
Progrès technologiques dans le domaine des lasers à fibre haute puissance
Les progrès les plus significatifs ont été réalisés dans la technologie des diodes de pompage qui alimentent les sources laser à fibre optique. La puissance de sortie pouvant être atteinte par un seul émetteur a augmenté de plusieurs ordres de grandeur, passant d'une fraction de watt à plusieurs dizaines de watts.
Dans le même temps, le rendement électrique des diodes est passé d'environ 20 % à environ 70 %.
Ces avancées fondamentales ont permis de diviser par 100 le coût par watt tout en augmentant la fiabilité et la durée de vie opérationnelle.
Améliorations au niveau du système pour la découpe de métaux épais
La puissance brute du laser ne suffit pas à elle seule pour découper efficacement des métaux épais. Les progrès réalisés dans d'autres composants du système de découpe ont également été essentiels.
- Amélioration de la transmission du faisceau : les lasers à fibre multimode, associés à des têtes de coupe spécialement conçues pour un fonctionnement à haute puissance, maintiennent désormais une focalisation précise du faisceau sur des profondeurs de coupe plus importantes. Cette fonctionnalité est complétée par des techniques optiques telles que l'oscillation du faisceau et la modulation dynamique de la focalisation.
- Alimentation en gaz d'assistance optimisée : les systèmes modernes sont dotés d'une alimentation en gaz d'assistance améliorée qui éjecte plus efficacement les matériaux fondus pendant la coupe. Ceci est essentiel pour obtenir des coupes nettes dans les matériaux plus épais tout en conservant des vitesses de coupe élevées.
- Gestion thermique améliorée : la découpe laser haute puissance génère une chaleur importante. Un refroidissement avancé, des optiques plus efficaces et un contrôle plus intelligent du système permettent aux lasers à fibre optique de rester stables sous des charges thermiques élevées continues.
Analyse des performances : laser à fibre optique vs découpeur plasma
Il est déjà bien établi que la découpe au laser offre des avantages significatifs par rapport à la technologie plasma. Les lasers offrent une plus grande précision, produisent une entaille plus étroite et plus droite, et créent une zone affectée par la chaleur (HAZ) beaucoup plus petite. Des bords plus nets signifient que les éléments découpés au laser sont souvent prêts à être soudés et ne nécessitent pas de post-traitement.
Les lasers peuvent également produire avec précision de petits trous présentant une excellente circularité et un faible effilement. Cela permet de gagner du temps et élimine parfois le besoin de perçage ou d'équipement de perçage.
Découpe au laser à fibre optique : la confiance en une puissance supérieure
Cependant, selon l'opinion générale, les lasers sont plus lents que le plasma pour découper de l'acier doux d'une épaisseur supérieure à 25 mm (et deux fois moins pour l'acier inoxydable).
Cela était vrai (plus ou moins) autrefois. Mais ce n'est plus le cas aujourd'hui.
Pour voir comment cela a changé avec l'émergence des lasers à fibre haute puissance largement disponibles, passons en revue quelques données de découpe réelles (et plus récentes).
Les graphiques ci-dessus illustrent la vitesse de découpe par rapport à l'épaisseur du matériau, en comparant les meilleures technologies de découpe laser fibre et plasma.
Ces graphiques pour l'acier doux et l'acier inoxydable montrent que les lasers à fibre haute puissance coupent presque toujours à des vitesses plus élevées que les découpeurs plasma pour les matériaux d'une épaisseur comprise entre 10 mm et 40 mm. Même sur un matériau de 40 mm d'épaisseur, un laser de 60 kW coupe l'acier doux environ 2,5 fois plus vite qu'un découpeur plasma de 460 A. Pour l'acier inoxydable de même épaisseur, l'avantage passe à 3,2 fois plus rapide.
Les données montrent que les découpeurs plasma ne sont plus performants que les lasers à fibre que lorsque la puissance du laser est réduite à 30 kW ou moins. Et uniquement lors de la découpe de sections plus épaisses.
Comprendre l'assistance au gaz
La manière la plus rapide et la plus propre de découper l'acier avec un laser à fibre consiste à utiliser un gaz d'assistance mixte (azote avec une petite quantité d'oxygène). Tous les tests de découpe représentés dans les graphiques ci-dessus, où le laser a surpassé le plasma, ont utilisé un gaz d'assistance mixte.
Cependant, une fois qu'un rapport puissance laser/épaisseur suffisamment faible est atteint, il devient nécessaire de passer à l'oxygène pur. L'oxygène comme gaz d'assistance empêche le processus de découpe laser de s'arrêter, mais à un rythme nécessairement plus lent et en produisant un bord de moindre qualité. L'oxygène pur était nécessaire dans les tests où la découpe laser donnait de moins bons résultats que la découpe plasma.
Heureusement, ce problème est complètement éliminé lorsque l'on utilise un laser plus puissant. Lorsque l'on utilise un laser d'une puissance de 40 kW ou plus, le gaz d'assistance mixte est idéal pour couper tous les métaux, sauf les plus épais (bien supérieurs à 40 mm).
En fin de compte, cela signifie que les lasers à fibre de 40 kW et plus coupent l'acier plus rapidement que le plasma , souvent de manière très significative, pour la grande majorité des applications de découpe. Et ils y parviennent tout en offrant des bords plus nets et plus droits avec un minimum de scories.
Analyse du retour sur investissement : quand un laser à fibre optique est-il pertinent ?
Les lasers à fibre haute puissance surpassent les découpeurs plasma en termes de vitesse, de qualité et de cohérence, mais leur coût d'achat est également plus élevé. Heureusement, leur débit plus élevé permet de rentabiliser rapidement cet investissement supplémentaire.
La plupart des coûts d'exploitation – amortissement, main-d'œuvre, frais généraux et maintenance – sont liés à la possession et à l'exploitation du système, et non à sa vitesse de coupe. L'électricité et les autres consommables augmentent certes avec la puissance et l'utilisation du système, mais pas proportionnellement au débit supplémentaire. Ainsi, si les découpeuses laser et plasma ont un coût d'exploitation mensuel à peu près identique (ce qui est le cas), la machine qui produit le plus pendant cette période sera toujours la plus économique.
Exemple de coûts et de résultats
Comparons un laser à fibre de 40 kW à un découpeur plasma de 300 A à l'aide des données précédentes.
Le laser à fibre optique de 40 kW découpe de l'acier doux de 20 mm d'épaisseur à une vitesse d'environ 8 m/min. À pleine capacité, il peut réaliser environ 38 000 mètres de découpes par mois.
Le découpeur plasma 300 A fonctionne à environ la moitié de cette vitesse, produisant environ 19 000 mètres pendant la même période.
Nous pouvons estimer avec précision que les deux systèmes coûtent environ 20 000 dollars par mois pour fonctionner à ces niveaux d'utilisation.
Si les besoins en produits sont d'environ 38 000 mètres, une seule découpeuse laser suffit pour répondre à la demande. Pour obtenir le même rendement avec la découpe au plasma, il faut deux machines, ce qui double le coût d'exploitation mensuel à 40 000 dollars.
Si le laser coûte 400 000 dollars de plus à l'achat que les deux découpeurs plasma, les 20 000 dollars d'économies mensuelles permettent de compenser la différence de prix en seulement 20 mois.
Une machine de découpe laser à fibre haute puissance est-elle adaptée à vos besoins ?
La découpe laser offre le meilleur rapport qualité-prix et le retour sur investissement le plus rapide dans certaines conditions spécifiques. Envisagez d'investir dans un laser à fibre haute puissance si votre activité implique :
- Utilisation intensive : la machine est suffisamment sollicitée pour que les économies liées au débit s'accumulent rapidement.
- Exigences en matière de propreté des bords : la réduction (ou la suppression) des opérations de post-traitement se traduit directement par des économies de main-d'œuvre et d'équipement.
- Assemblages soudés : les bords découpés au laser prêts à souder réduisent le temps de préparation et améliorent le flux en aval.
- Caractéristiques : les lasers peuvent créer de petits trous et des contours précis en une seule opération.
- L'espace au sol est limité : un laser haute puissance peut remplacer plusieurs découpeurs plasma et réduire l'encombrement nécessaire.
- La géométrie des pièces est complexe : les formes complexes, les rayons serrés et les caractéristiques internes favorisent systématiquement la découpe au laser plutôt que la découpe au plasma.
Premiers pas avec une solution de découpe laser
À mesure que la technologie laser à fibre optique continue de progresser et que les capacités des machines laser augmentent, il devient plus difficile de choisir entre une découpeuse laser et une découpeuse plasma.
Pour de nombreux fabricants et industriels, les lasers sont devenus l'outil idéal pour la découpe des métaux. Pour d'autres, la découpe au plasma reste plus pratique.
Discutez avec l'un de nos experts en découpe laser pour connaître les résultats et le retour sur investissement que vous pouvez espérer pour votre application.
