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Des découpes plus nettes et optimisées

GUIDE RÉALISÉ PAR CHRISTIAN GUYARD
Des découpes plus nettes et optimisées

Cette installation complète de découpe plasma Nertajet HP d'Air Liquide est équipée d'une table aspirante.

© D.R.

- La découpe mécanique au couteau garde ses atouts face au laser et au jet d'eau. Partout, la précision de la découpe et la productivité croissent.

La découpe est un problème générique de toute industrie pour tout type de matériaux, du plus dur au plus mou : minéraux, métaux, céramiques, plastiques, issus du vivant (bois, cuir, viande) et même matières recomposées comme les textiles, les composites, les papiers, les cartons, les produits alimentaires (pâtisseries, charcuteries, etc.).

Les techniques les plus anciennes (couteau, scie, câble) sont toujours en service ; aucune nouveauté n'a supprimé les principes existants. En revanche, les moyens que l'on peut qualifier "d'énergétique" (chalumeau, plasma, laser, jet d'eau, électroérosion à fil) ont ouvert des possibilités en termes de vitesse de découpe, de précision et de rapidité de production, de découpe de matériaux très durs. Mais la réelle originalité est l'accès à des découpes complexes selon des traits sinueux en 2D, y compris en forte épaisseur ; la robotisation permet la découpe en trois dimensions.

Des machines mixtes à deux modes de découpe

Sur ces nouveaux moyens très polyvalents, les outils ne s'usent pas, ils n'ont pas le problème d'affûtage ; ils sont adaptés à tous les profils, pas comme un emporte-pièce réalisé pour un seul profil. La découpe bénéficie donc d'un large éventail de procédés et de machines les mettant en oeuvre. Elles sont utilisées en poste isolé ou font partie d'une chaîne de production plus ou moins complexe impliquant des dispositifs d'amenage (non traités dans ce guide).

La multiplication des procédés a donné naissance à des machines mixtes utilisant deux modes de découpe (découpe assistée par laser) ou combinant deux opérations (découpe et marquage...) réalisées en profitant d'un seul positionnement de la pièce fabriquée. On distingue la découpe de débit, de celle de la fabrication. Le débit est une opération simple unitaire, répétée rapidement : découpe de lopins dans une barre, de tubes, de flancs dans une bobine de tôle, de câbles, etc. Cette découpe peut être unitaire (un coup égale un objet) ou multiépaisseur pour les matériaux plats (massicot coupant une pile, nappes de tissus en matelas). Une découpe de fabrication sera plus élaborée pour obtenir une forme ou un profil particulier avec des cotes serrées ; de nombreuses de machines travaillent au dixième de millimètre, certaines à quelques centièmes.

En découpe de pièces à plat, deux paramètres sont importants pour optimiser la consommation de matière : la finesse de la découpe (trait fin, moins de matière gaspillée) et le placement des pièces sur la surface (réduction des chutes fatales entre pièces). Les outils de commande numérique deviennent alors essentiels, surtout s'ils sont couplés à des logiciels d'optimisation du placement pour réduire les chutes, parfois en profitant d'une chute pour placer une autre découpe. De nombreux constructeurs sont passés de commandes numériques à des logiciels de commande sur PC, plus conviviaux. De plus, la découpe doit être nette pour ne pas avoir à reprendre les découpes par une opération supplémentaire de finition (ébarbage, etc.).

Maximiser le temps d'usage de la machine

Le choix d'une machine de coupe résulte d'une bonne définition du cahier des charges. Le problème n'est pas le même pour un sous-traitant dont l'activité principale est la découpe, qui doit maximiser son temps d'usage de la machine, ou pour un industriel dont la découpe est une activité parmi d'autres. Une machine laser qui représente un gros investissement est typiquement une machine qui doit fonctionner tout le temps à plein régime pour l'amortir au mieux. D'où le développement de la sous-traitance dans ce domaine. Une machine à jet d'eau moins coûteuse à l'achat est moins sensible à ce paramètre. Outre l'investissement, le taux horaire de la machine dépend des consommables ; sans oublier le temps d'immobilisation de la machine pour la maintenance. Les constructeurs ont fait des efforts pour que ces temps soient réduits.

Attention aux consommables !

En découpe mécanique, l'outil (lame de cisaille guillotine ou de massicot, scie à ruban ou circulaire, fraise...) s'use, la coupe devient moins franche, voire imprécise. Il faut donc, soit le réaffûter, soit le jeter s'il s'agit d'outil consommable. Sur les machines de découpe à plat, le support est aussi entaillé, il faut donc le changer périodiquement. Le budget pour les consommables n'est pas très important, surtout avec les outils carbure dont la durée de vie est élevée.

La découpe énergétique, sans contact, n'a pas ces problèmes d'usure. Vrai et faux. Selon les procédés, différents consommables sont indispensables au fonctionnement. En oxycoupage et plasma, il y a évidemment les gaz qui apportent l'énergie de coupe : oxygène et combustible (acétylène et autres gaz), gaz spécifiques au plasma. Dans certains cas, ces gaz ont une fonction de protection de la zone de découpe vis-à-vis de l'oxydation.

En laser CO2 on trouve deux types de gaz : le gaz lasant (gaz carbonique) et éventuellement un gaz d'assistance et de protection ; dans la découpe des ferreux, on recherche l'oxydation pour profiter de son dégagement de chaleur. Le gaz peut constituer un budget important, surtout l'azote utilisé à des débits atteignant les 50 m3/h. Les buses d'apport des gaz sont soumises à l'usure et aux chocs, et il faut les renouveler (cadence variable selon l'utilisation d'une heure à plus d'une semaine). Les miroirs du laser (entre 500 et 1 000 euros) perdent également en pouvoir de réflexion et il faut les changer (durée de vie d'un an environ et trois à cinq miroirs par machine), tout comme la lentille de focalisation (d'une à quelques semaines). Globalement, les consommables d'un laser CO2 se montent à 10 à 12 E/h, à pondérer par le taux d'utilisation et les longueurs coupées (prix à la pièce coupée). Mais le laser reste très productif et très souple d'utilisation tout en conservant une qualité de coupe constante.

Pour les autres technologies, il y a aussi des consommables : buses, abrasifs, filtres à eau, joints pour la découpe jet d'eau, un coût de l'ordre de 15 E/h dont la moitié pour l'abrasif. L'entretien peut être fait par un mécanicien soigneux alors qu'une machine laser demande des spécialistes. En découpe par électroérosion à fil, le principal consommable est... le fil.

De la puissance pour couper plus vite

Les lasers CO2 représentent plus de 90 % des lasers de coupe, surtout dans les métaux. La découpe fine de précision est réalisée avec des lasers YAG, plus coûteux. Mais le choix d'une source ou d'une autre est guidé par le type de matériau à découper, chacun ayant un pouvoir réflecteur, un état de surface et une diffusivité thermique différents qui modulent l'absorption de puissance.

La puissance des lasers YAG augmente ; on trouve maintenant du 2 kW alors que les puissances courantes sont de 200 à 500 W. Ils sont réservés à la découpe fine de précision puisque l'on atteint quelques centièmes de millimètre, mais ils peuvent découper jusqu'à 4 mm d'acier. Légers, on peut les installer sur le bras d'un robot 5 axes et ainsi réaliser des découpes en volume ; on peut aussi véhiculer le faisceau laser par fibre optique. L'évolution attendue est le laser fibre dans lequel l'effet laser est créé au sein d'une fibre. Avantages : l'absence de miroir et la possibilité d'atteindre des puissances élevées. Le coût se rapproche de celui du CO2, mais pour l'instant l'offre de source est réduite.

En découpe jet d'eau, le marché se développe à un taux de + 20 % par an en raison des possibilités nouvelles de découpe offertes par ce moyen (surtout sur les pierres dures). La pression courante est de 4 000 bars. Depuis début 2007, Flow propose des machines à 6 000 bars, ce qui se traduit par des vitesses de coupe linéaire plus élevées (meilleur taux d'utilisation de la machine) ; une quinzaine de machines sont installées en Europe. Il est possible de découper jusqu'à 500 mm dans le titane tout en conservant un trait de coupe précis et surtout sans échauffement du métal (impossible avec un laser). Le jet d'eau dynamique apparu depuis cinq ans compense la dépouille et les phénomènes de retard de jet : le jet est incliné d'un très petit angle, ce qui rejette la dépouille dans la chute. Ainsi, on obtient sur la pièce une coupe franche orthogonale avec une précision de quelques centièmes de millimètre.

Composites : un besoin particulier

Les composites représentent une classe de matériaux spécifiques pour la découpe. Ils sont par essence multimatériaux : une matrice et un renfort fibreux auquel peuvent s'ajouter d'autres renforts (fibres de différentes natures, charges en grains microscopiques). La découpe intervient à différents stades : dans la préparation des éléments constitutifs ou après élaboration quand la pièce est monobloc. Concrètement, ce sont des découpes des nappes de renfort en fibres tissées ou non tissées, de verre, de carbone, de kevlar, de fibre végétale, etc. ou de choses plus originales comme le nid-d'abeilles (nida) en matériaux très divers. Ces renforts peuvent être secs ou préimprégnés de résine sous forme très visqueuse (matériau mou, contenant des renforts durs).

Une fois la pièce terminée et selon le procédé de transformation utilisé, certaines découpes seront nécessaires : ébavurage au niveau de plan de joint ou découpe de fenêtres, mais également coupe de profilés pultrudés (joncs, barres, etc.).

On retrouve donc tous les types de machines à découper, mais avec une tendance nette à la découpe par outil tranchant. Le laser ne s'est pas développé car la chaleur altère souvent le matériau au niveau de la découpe. En aéronautique, les constructeurs ne veulent pas prendre ce risque. De plus, la chaleur décompose les polymères constituant la matrice en émettant nombre de substances pas forcément sympathiques, d'où la nécessité d'aspiration et de traitement de fumées. Il reste encore de la découpe manuelle de nappes de renfort et l'on voit toujours des ciseaux qui profitent des derniers progrès, aussi bien sur les lames coupantes que leur motorisation électrique (légèreté).

Un marché en pleine expansion

Sur les machines avec table de découpe, on préfère les couteaux avec lame carbure sans réaffûtage sur machine pour ne pas disperser des particules métalliques sur les nappes. Ces couteaux sont fixes, mais le plus souvent animés d'un mouvement oscillant à plusieurs milliers de coups par minute. La découpe est possible en nappe simple ou en matelas.

Globalement, le marché de la découpe des composites à tous les niveaux est en pleine expansion sous deux grands effets. D'une part, la mécanisation des procédés qui se substitue à la découpe manuelle (baisse des coûts et amélioration des conditions de travail), d'où le passage aux machines de découpe et à l'ébavurage et la découpe en volume réalisés par des robots munis de fraises. D'autre part, la montée en puissance des composites dans le transport en général et l'aéronautique en particulier génère un volume de composites en forte croissance

L'ESSENTIEL

- Découpe mécanique par couteau, cisaille, scie, emporte-pièce, fraisage - Découpe énergétique par ultrasons, oxycoupage, plasma, laser, jet d'eau simple ou abrasif - Précision de la coupe qui réduit la consommation de matière - Découpe sur table par l'optimisation du placement des découpes qui diminue les chutes

PRATIQUELES CRITÈRES DE CHOIX

- Le nombre de découpe à réaliser et leur variété : répétitivité, formes complexes... - La dureté du matériau à découper : métaux, matériaux souples - Le type de matériau : blocs, barres, tubes, profilés, en rouleau, en feuilles - La précision de découpe souhaitée - Le besoin de combiner d'autres opérations, marquage notamment - Le coût de la découpe incluant l'amortissement de la machine et les consommables

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PRATIQUE

Laser - Club Laser et Procédés c/o Irepa Laser Parc d'innovation Pôle API Bâtiment F 67400 Illkirch Tél. : 03 88 65 54 12 contac@laserap-clp.com www.laserenligne.fr - http://www.laserenligne.fr/ Site spécialisé dans les procédés lasers de traitement et usinage des métaux Rendez-vous - Salon Espace laser Les 28 et 29 mai 2008 Grenoble Alpexpo http://www.espace-laser.biz

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