Dans l'industrie aérospatiale et aéronautique, les systèmes de découpe laser à fibre ont révolutionné les techniques de découpe et concurrencent désormais directement les méthodes de découpe non thermiques, en proposant des découpes de haute qualité avec une zone affectée thermiquement (ZAT) minimale. Ces machines modernes réduisent en effet considérablement la fragilité des matériaux et offrent une vitesse de processus bien supérieure à celle des autres technologies non thermiques.
Machine laser 5 axes dans la fabrication de pièces pour le secteur aérospatial
Dans le secteur aérospatial, les technologies ne cessent d’évoluer, pour rendre possible ce qui semblait autrefois irréalisable. Les secteurs de l’aérospatial et de l’aéronautique exigent des normes de qualité sans compromis, faisant du développement technologique un défi perpétuel dans la recherche de solutions pour la production de leurs composants.
ette technologie évolue constamment grâce à la science, à la créativité des ingénieurs qui sont les forces motrices. L’accent est mis sur le traitement des matériaux suivants : l'aluminium, le chrome, le fer, le carbone, le titane, le nickel et le cobalt - en créant des alliages spéciaux.
La découpe au laser a permis à l'industrie de sortir du monde de la découpe par enlèvement des copeaux, mais au départ, l'utilisation de la découpe laser était limitée et impliquait des coûts importants tant sur le plan financier que sur celui de la productivité.
L'utilisation de lasers pour couper ces métaux destinés à l'industrie aéronautique et aérospatiale, était autrefois considérée comme un rêve irréaliste, mais elle est désormais un facteur majeur contribuant à garantir une répétabilité avec précision et qualité, tout en minimisant les déchets, en optimisant le flux de travail et en réduisant les coûts.
La réduction de la zone affectée thermiquement (ZAT) dans la production aérospatiale représente l’un des points clés de cette révolution technologique.
Les avancées technologiques ont en effet permis à la découpe laser de percer les technologies non thermiques, pour fournir une qualité de découpe et une zone affectée thermiquement (ZAT) extrêmement réduite.
Cet article fournit un aperçu des méthodologies et des technologies utilisées pour découper des composants aérospatiaux en aluminium, titane, nickel et autres alliages spéciaux, visant à minimiser la zone affectée thermiquement (ZAT).
Quelles sont les causes de la zone affectée thermiquement (ZAT) dans les composants découpés au laser ?
La zone affectée thermiquement (ZAT) est générée dans toutes les pièces mécaniques usinées avec des méthodes de découpe thermique. Nous ne parlons pas seulement de technologies bien connues pour leur impact thermique sur les matériaux comme le coupage plasma et l’oxycoupage ; des méthodes encore plus « discrètes » telles que l'usinage par électroérosion (EDM) peuvent générer une fine région de matériau altéré, inacceptable pour les applications aérospatiales.
La zone affectée thermiquement ou la zone modifiée thermiquement, est la région du matériau entourant la zone soumise à la découpe, dont la structure cristalline est modifiée par l'énergie thermique dispersée par le traitement. La présence de cette région rend le bord coupé plus cassant et susceptible de se briser, ce qui peut entraîner une fatigue des matériaux.
Il devient alors impossible d'estimer la durée de vie de la pièce.
Dans la découpe laser, les facteurs qui amplifient cette zone dans les composants aérospatiaux dépendent d'une corrélation entre le matériau, la source laser, les caractéristiques technologiques et le gaz d'assistance.
En conséquence, un processus secondaire est toujours nécessaire pour éliminer mécaniquement le matériau altéré, ce qui entraîne une augmentation des coûts de main-d'œuvre qui varient en fonction de l'épaisseur du matériau à enlever. Ceci, combiné aux réglementations de sécurité pour le secteur aérospatial, a ralenti les progrès technologiques.
Source laser
Les alliages d'aluminium comptent depuis longtemps parmi les métaux les plus utilisés pour les composants aérospatiaux, grâce à leur résistance mécanique, leur légèreté et leur résistance à la corrosion et aux rayons UV.
Au début, les lasers industriels étaient principalement équipés de sources laser
CO2. Le faible coefficient d'absorption de l'aluminium pour la longueur d'onde des sources laser CO2 combiné à la puissance limitée émise par cette technologie, rendait la découpe laser inutilisable dans ce secteur.
Ce n’est qu’avec l’avènement des lasers à fibre modernes que les choses ont radicalement changé.
Pour en savoir plus sur l'histoire du laser
Les sources laser à fibre modernes ont une longueur d'onde plus adaptée aux alliages d'aluminium. Cela se traduit par moins d’énergie réfléchie et une coupe plus efficace et efficiente.
De plus, grâce au mode de fonctionnement pulsé, les lasers à fibre peuvent atténuer la conductivité thermique élevée de l'aluminium, minimisant ainsi le transfert de chaleur vers les zones environnantes.
C'est pourquoi ce type de système représente la solution idéale pour couper les alliages d'aluminium, en réduisant considérablement la zone affectée thermiquement (ZAT) et en améliorant en même temps la précision et la qualité de la coupe.
Découpe laser d'une pièce emboutie.
Qualité et concentration du faisceau laser
Un autre facteur clé dans la réduction de la zone affectée thermiquement (ZAT) est la qualité du faisceau laser lui-même. Par qualité, nous faisons référence à la manière dont la puissance laser est concentrée autour de son axe central.
Idéalement, cette concentration doit ressembler à une distribution gaussienne. Plus la distribution de puissance se rapproche de cette forme idéale, meilleure est la qualité du faisceau, conduisant à des performances de coupe supérieures.
Les sources laser à fibre modernes, comme celle utilisée dans le système de découpe laser 5 axes LT-FREE , avec des puissances allant de 2 à 5 kW, se caractérisent par une excellente qualité du faisceau laser, avec un produit de paramètres de faisceau (BPP) très faible, ce qui garantit d'excellentes performances de coupe.
Pour optimiser davantage la distribution de l'énergie laser, des systèmes de mise au point automatique avancés sont utilisés. Ces systèmes sont capables d’ajuster automatiquement la focalisation du faisceau laser en fonction de l'épaisseur et du matériau du composant à découper.
Des innovations telles que Active Focus, une fonctionnalité présente dans les machines de découpe laser 5 axes BLM GROUP, sont essentielles pour obtenir une découpe précise des composants produits par extrusion, moulage sous pression et pliage, réduisant considérablement la zone affectée thermiquement (ZAT).
Gaz d'assistance
Le choix du gaz d'assistance joue un rôle crucial dans le confinement et la réduction de la zone affectée thermiquement (ZAT). L'utilisation d’oxygène comme gaz d'assistance, augmente considérablement la chaleur générée pendant le processus de découpe. En effet, lorsque l’oxygène entre en contact avec un métal à haute température, il déclenche une réaction d’oxydation très exothermique, qui contribue à la liquéfaction du matériau.
Lors de la découpe de composants aérospatiaux en alliages de titane et de nickel, cette réaction serait extrêmement intense et capable de détériorer fortement la qualité de découpe, provoquant une grande zone affectée thermiquement (ZAT), caractérisée par la contamination d'oxydes au sein de la structure cristalline.
Dans ces cas, l’utilisation de gaz inertes comme l’azote ou l’argon est indispensable. Ces gaz ne provoquent pas de réactions d'oxydation, maintiennent la qualité du bord de découpe et réduisent considérablement la zone affectée thermiquement (ZAT).
Une alternative récente est l'utilisation de l'air comprimé comme gaz d'assistance lors de la découpe laser. Cette méthode atténue non seulement la réaction d’oxydation, mais offre également une solution économique en exploitant le gaz le plus abondant dans la nature.
LT-FREE peut être équipé d'un dispositif lui permettant de couper à l'air comprimé appelé Active Air Cutting. Cette solution évolutive améliore l’efficacité et la qualité de l’usinage et peut s’adapter à différents niveaux d’autonomie dans le processus de découpe. De plus, LT-FREE est équipé de diverses conduites de gaz d'assistance et, grâce à un système automatique, sélectionne indépendamment le gaz nécessaire.
Tuyau de carburant pour le secteur aéronautique.
Machines de découpe laser 5 axes pour la production aérospatiale
Dans les paragraphes précédents, nous avons examiné comment les avancées technologiques dans le domaine de la découpe laser, ont consolidé le rôle de cette technologie laser en tant que pilier fondamental pour la production aérospatiale et aéronautique de nouvelle génération.
À mesure que la technologie du laser à fibre progressait, la complexité des profilés minces dans l'industrie aérospatiale, a nécessité le développement de solutions de découpe laser 3D, dans lesquelles la tête de découpe était capable de tourner librement autour de ces objets tridimensionnels. Avec le développement de la technologie de découpe laser 5 axes, le puzzle est désormais complété.
Pour cela, le système de découpe laser à fibre 5 axes LT-FREE est une solution optimale pour la production de composants pour le secteur aérospatial, efficace à la fois dans la réduction de la zone affectée thermiquement (ZAT) et dans le traitement de toute pièce tridimensionnelle telle que les tôles estampées, embouties, les tubes cintrés, hydroformés et matricés.
Dans une industrie en constante évolution, LT-FREE répond aux besoins croissants d’automatisation, de productivité, et constitue un atout essentiel pour la production aérospatiale moderne.
LT-FREE - système de découpe laser à fibre 5 axes BLM GROUP