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Pour réduire les temps de fabrication

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- Les constructeurs associent le laser à plusieurs autres types d'usinage ou d'assemblage, tels que le pliage ou le soudage conventionnel.

Moyen de production incontournable pour les ateliers de mécanique, le laser ne cesse de progresser. Plus cher parfois que les moyens classiques, il offre cependant des avantages spécifiques. À savoir, la possibilité de traiter des formes complexes ou d'améliorer la vitesse de production ou encore de prolonger la durée de vie de l'outil qui n'entre pas en contact avec la pièce.

C'est le cas, par exemple, des machines d'usinage laser qui font depuis deux ans leurs preuves dans des applications hors des sentiers battus. La société Alltec, filiale du groupe allemand homonyme, propose ainsi la famille LGM de machines de fraisage laser dont le prix se situe entre 75 000 et 300 000 euros. Ce sont des équipements trois axes qui mettent en oeuvre une technique de gravure profonde. Cette approche permet de vaporiser le métal par couches successives grâce à un laser YAG pulsé de 100 watts de puissance. « L'avantage de cette technique, c'est de remplacer les opérations d'usinage classique », souligne Dino Paganelli, directeur d'Alltec France.

Ces machines, utilisées entre autres par les Mouleries de Cognac pour les moules de verre, ne cessent d'évoluer. Désormais, elles s'automatisent. Ainsi, la nouvelle machine mise au point par Alltec, la LGM 35, possède un carrousel de douze stations qui assure automatiquement le changement de la pièce à traiter dès que la précédente est terminée.

Polyvalence et flexibilité

La société étudie aussi d'autres voies de développement, comme le grainage en 3D pour les pièces automobiles ou d'autres applications dans le domaine de la fabrication des pneus ou des chaussures. Elle est en train de mettre au point un logiciel de FAO (fabrication assistée par ordinateur) afin de réaliser ces opérations, nécessaires pour la décoration des moules dans ces domaines industriels.

Le constructeur de machines-outils allemand DMG propose lui aussi des équipements d'usinage laser grâce au rachat de Lasertec. Sa famille DML s'est enrichie d'un nouveau membre, le DML 80, qui améliore la précision et la vitesse de fabrication. Principal atout : la polyvalence. La machine assure des opérations 2D et 3D de découpe, soudage et perçage de pièces d'une épaisseur comprise entre 0,1 et 3 mm. Avec une précision maximale de 10 µm, une vitesse de positionnement de 120 m/min et des accélérations de l'ordre de 20 m/s2. L'utilisation de moteurs linéaires explique ces performances qui s'ajoutent à la rigidité extrême de la machine. L'utilisateur, qui peut être un fabricant de pièces automobiles, électroniques ou aéronautiques, voire un petit atelier de sous-traitance, a le choix entre un laser YAG ou CO2, la machine disposant en option d'un quatrième ou d'un cinquième axe.

La polyvalence caractérise aussi d'autres équipements, ce qui dessine une tendance dans ce domaine de l'usinage laser. Exemple : la Mach 3 de Laser Cheval, une machine trois à cinq axes qui allie la flexibilité à la performance. Disponible avec toute la gamme des sources de Laser Cheval, elle assure aussi bien des applications de soudure et/ou de découpe sur des composants de petites et moyennes dimensions, de formes simples ou complexes.

Même caractéristique pour la machine que le mouliste allemand Röders a développée avec l'Institut Fraunhofer. Elle réalise le rechargement au laser de petites pièces et le fraisage. Une solution pour la réparation des moules.

Parmi les développements en cours à l'Irepa Laser figurent des applications mécaniques, comme l'assemblage hétérogène et de matériaux difficiles à souder tels que les fontes ; le soudobrasage dans la tôlerie fine et la carrosserie automobile ; le soudage d'alliages d'aluminium épais (6 mm) pour applications aéronautiques ; pour le traitement de surface, l'amélioration des caractéristiques tribologiques et physico-chimiques des alliages d'aluminium par dépôt laser, etc.

Centre de recherche et de transfert technologique dans le domaine du laser, le pôle Laser Creusot Bourgogne assure également des études de faisabilité sur les applications du laser dans la mécanique. Comme le rechargement métallique. « Il s'agit de modifier les propriétés mécaniques à la surface d'une pièce », précise Olivier Perret, chercheur chez BT. Parmi les autres domaines d'études du centre bourguignon figurent notamment le microsoudage (réservé aux pièces de petite dimension) et la découpe laser (pour les pièces en laiton, par exemple).

Le laser intégré dans une presse plieuse

Le laser peut s'ajouter au pliage de la tôle, comme l'a démontré Jürgen Schmid, chargé d'affaires chez Trumpf Laser, lors de sa conférence consacrée aux nouvelles applications des lasers YAG à la journée organisée, en décembre dernier, par le colosse allemand.

L'intégration d'une station laser dans une presse plieuse robotisée TrumaBend V130 permet de terminer la pièce, boîtiers électroniques en acier ou profilés en acier pouvant être pliés et soudés en une seule prise. Ce qui réduit sensiblement le temps de fabrication et améliore la précision. Exemple pour un boîtier écran : la fabrication classique nécessite des opérations de poinçonnage, pliage, soudage par points, brasage, contrôle d'étanchéité (IP67), polissage ; le procédé actuel comporte la découpe laser, le pliage et le soudage laser. Soit, selon Trumpf France, une réduction de coûts de 25 % (pas de brasure, ni de test d'étanchéité, finition diminuée de moitié). Le prix de l'outillage nécessaire pour la fabrication de cette pièce, calculé sur une durée de cinq ans, à raison de mille pièces fabriquées par an, est de 2,50 euros par pièce.

Le spécialiste allemand a aussi recensé d'autres voies de développement du laser YAG, comme le soudage des éléments sandwich sur une longueur de 20 mètres (soudage continu) qui fait ses premiers pas dans l'industrie. Ou le soudage laser guidé à la main, grâce à la tête proposée par Mobil Lasertec, très adapté au soudage et à la réparation des pièces de carrosserie par exemple. Ou encore le concept de soudage à distance grâce au réseau laser TLN (Trumpf Laser Network). Plusieurs sources laser placées dans une cabine envoient les faisceaux via des fibres optiques à des robots sur le lieu de travail. La tête de focalisation permet de programmer les géométries de soudage et d'assurer un soudage à la volée. La puissance laser, disponible jusqu'à 1 kW, sera étendue prochainement par Trumpf à 4 kW.

Choix de configurations

Le soudage a connu, par ailleurs, une des innovations les plus marquantes de ces dernières années avec l'apparition récente des premières solutions hybrides. Alliant dans une même tête de soudage une source laser et un système de soudage à l'arc, ce système cumule les avantages des deux procédés.

Plusieurs fournisseurs proposent déjà un tel système, comme Fronius, le pionnier de cette technologie, Air Liquide, le constructeur de robots Kuka ou Haiag. La société autrichienne Fronius avait ainsi provoqué la surprise au salon d'Essen, en septembre 2001, en présentant un système qui associait soudages laser et MIG. Le groupe Air Liquide fait mieux en proposant un système baptisé Exial, qui ajoute au soudage laser les trois procédés conventionnels : MIG, TIG et plasma (voir IT no 841, p. 82). Aux utilisateurs de choisir la configuration adéquate en fonction de leur application.

« Aujourd'hui, une machine typique de soudage laser CO2 a une puissance comprise entre 5 et 8 kW (alors qu'en découpe laser, elle est plutôt de 2 à 3 kW) et son coût est supérieur d'un facteur 2 à 3 à celui d'une machine de découpe, précise Alain Colmont, chargé d'affaires Exial chez Safmatic, la filiale "machines spéciales" du groupe Air Liquide. « Même si le soudage laser se développe, il reste un procédé onéreux et il n'est employé que si la production des pièces, et notamment les gains de productivité engendrés par l'utilisation du procédé, permet d'amortir le coût élevé de la source et de la machine associée. Alors, pourquoi ne pas associer au laser les trois procédés conventionnels de soudage ? » Le soudage hybride allie la productivité du soudage laser, notamment au niveau des gains en vitesse de soudage, à la souplesse opératoire des procédés TIG, MIG ou plasma, qui admettent des tolérances d'assemblage assez peu contraignantes par rapport au soudage laser. Le système de Fronius connaît ses premières applications dans l'industrie automobile allemande et le dispositif Exial d'Air Liquide sera installé au SLV (l'équivalent allemand du Cetim) à Rostock, en Allemagne orientale.

Des systèmes hybrides

Enfin, le CLFA (Coopération laser franco-allemande) développe actuellement un système hybride. Brevetée, la torche Thyce associe un procédé MIG à une source laser de 8 kW et est destinée au soudage des épaisseurs profondes. Rendez-vous en juin prochain au Salon du Bourget où le prototype sera présenté pour la première fois. On y découvrira également les autres développements du CLFA, comme le procédé de soudage des fortes épaisseurs avec des sources YAG de 8 et 11 kW.

« Aujourd'hui, on utilise des lasers CO2 de très forte puissance pour souder en une seule passe des épaisseurs de plusieurs dizaines de millimètres, explique Philippe Aubert, directeur technique du CLFA. Ce qui provoque des défauts comme la porosité du cordon de soudure. Le procédé que nous avons mis au point avec la collaboration de Trumpf associe deux ou trois sources YAG de 4 kW, ce qui fournit une puissance de 12 kW sur pièce. Avec une stratégie de soudage adaptée, en plusieurs passes, évitant les déformations résiduelles et facilitant l'assemblage des pièces. »

Le système soude des épaisseurs de 60 mm et permettra, à terme, d'aborder les 90 mm avec une vitesse de soudage multipliée par dix, par rapport aux techniques conventionnelles. « Cette approche intéresse bien sûr le nucléaire, mais aussi la construction navale, l'off-shore (Saipem étudie son application), la fabrication de grands réservoirs de stockage de gaz ou de pétrole », précise le spécialiste. À condition d'envisager l'investissement laser qui est en général trois fois plus important que celui d'une installation TIG. Mais, quand on sait que le procédé TIG impose le nettoyage des pièces entre les passes, qu'il faut réaffûter les électrodes et que le laser élimine les deux inconvénients, le calcul est vite fait...

LES NOUVELLES APPLICATIONS

- Prototypage rapide : frittage laser de poudre métallique pour la fabrication directe des pièces ou des moules - Soudage hybride - Découpe 3D - Usinage (fraisage) - Traitement de surface et rechargement

ET DEMAIN ?

- Développement de procédés de soudage hybride : laser/procédé électrique - Accroissement des installations industrielles utilisant des lasers fibrés - Développement des applications industrielles du rechargement par faisceau laser, dans la micromécanique par exemple - Généralisation de l'utilisation des systèmes de contrôle process

DES MOULES COMPLEXES USINÉS PAR LASER

Les équipements d'usinage laser se multiplient dans les ateliers de mécanique. Sidel utilise ainsi depuis deux ans une machine LGM50 d'Alltec pour réaliser des travaux de gravure et de grainage sur des moules de soufflage de bouteilles. Ces opérations, réalisées en quelques heures grâce au laser, étaient effectuées auparavant par fraisage conventionnel, électroérosion et usinage chimique pendant plusieurs jours. Sans surveillance La solution d'Alltec réalise des arêtes fines et autorise le travail sans surveillance 24 heures sur 24. La société CEP, spécialisée dans le prototypage rapide, utilise quant à elle une machine de fraisage laser DML 40SI de Lasertec, une filiale de DMG. L'équipement, qui dispose de cinq axes (trois mécaniques et deux optiques), assure un fraisage de précision de certains moules complexes, impossible à réaliser dans des conditions rentables par d'autres moyens. Exemple : ceux destinés à la téléphonie mobile.

LE SOUDAGE HYBRIDE FAIT SES PREMIERS PAS DANS L'AUTOMOBILE

La solution de soudage hybride du constructeur autrichien Fronius fait ses preuves depuis octobre 2002 dans l'usine Volkswagen de Wolfsburg (Allemagne) pour la fabrication en série des portes du modèle Phaeton. Des éléments composés d'un châssis en aluminium coulé, de tôles et de profilés extrudés en aluminium. « Nous avions prévu initialement de recourir au soudage laser YAG, déclare Thomas Graf, chef de division à l'usine de Volkswagen. Ce procédé présente néanmoins un inconvénient majeur : il est assez peu tolérant et implique une précision importante dans l'ajustement, le positionnement et le bridage des pièces à souder. Le processus hybride combine les avantages du soudage laser avec ceux du soudage à l'arc (MIG) et élimine cet inconvénient. Tout en augmentant la vitesse de soudage à 8 m/min, soit quatre fois celle du procédé classique. »

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