Qu'est-ce que l'usinage laser d'une feuille acrylique

Lorsqu'il s'agit de découper des feuilles acryliques, les lasers CO2 sont généralement considérés comme une solution puissante et rentable-, à condition qu'ils soient utilisés pour les applications appropriées. Pour les tâches impliquant des pièces petites et complexes qui nécessitent des coins intérieurs propres et nets, ou pour des pièces de pratiquement toutes tailles qui exigent des tolérances de coupe inférieures à 0,005 pouce par pied, le laser est souvent le meilleur outil pour le travail. L'une des principales raisons à cela est que la découpe au laser produit un trait de scie très étroit, généralement compris entre 0,010 et 0,020 pouces. De plus, il offre une énorme flexibilité en termes de forme et de taille, et peut-être plus important encore, il laisse un bord poli et sans poussière. En raison de ces facteurs, il s'agit du premier choix pour de nombreuses applications de haute-qualité.

Equipment Overview

Fondamentalement, les lasers CO2 fonctionnent en émettant un faisceau de lumière parallèle. Cette lumière a une longueur d'onde spécifique de 10,6 microns. Il convient de noter que cette longueur d'onde particulière est très bien absorbée par les matériaux non métalliques -. Lorsque ce faisceau de lumière, ou d’énergie, est focalisé à travers une lentille jusqu’à un tout petit point, il vaporise essentiellement la matière qui se trouve sur son passage.

En termes de configuration de la machine, le faisceau laser focalisé peut être maintenu stationnaire sur une table de positionnement X-Y. Alternativement, il peut être positionné sur une surface stationnaire en utilisant ce que l'on appelle dans l'industrie une configuration à « tête volante ». Pour expliquer simplement la configuration de la tête volante : le faisceau laser lui-même se déplace sur la pièce le long d'un ou deux axes grâce à un système de miroirs et d'équipement de positionnement mécanique. Les contrôleurs, PC et logiciels utilisés pour gérer le positionnement du laser et du travail sont en réalité très similaires au matériel et aux logiciels que l'on trouve dans d'autres équipements d'usinage CNC. Par conséquent, concevoir et utiliser une découpeuse laser n’est vraiment pas plus difficile que de travailler avec n’importe quelle autre machine CNC standard.

Lorsque vous préparez la découpe de l'acrylique avec un laser, vous devez vous préoccuper de trois variables principales. Chacun de ces éléments affectera à la fois la qualité de la coupe et les niveaux de contrainte qui en résultent dans le matériau. Ces variables sont :

La puissance du laser.
Le taux d'avance.
La fréquence du pouls.

Tous ces paramètres peuvent être ajustés pour s'adapter à différents types de matériaux, différentes épaisseurs et la finition souhaitée du bord. Pour découper une feuille acrylique, une unité laser aussi petite que 40 watts peut être utilisée pour des épaisseurs allant jusqu'à environ ¼ de pouce. Cependant, si vous souhaitez obtenir une bonne qualité de bord avec un laser plus petit comme celui-ci, vous devez essentiellement ralentir la vitesse d'avance à environ 20 pouces par minute.

En revanche, pour des feuilles plus épaisses ou si vous avez besoin de vitesses d’alimentation plus rapides, un système laser plus grand est nécessaire. Un laser de 180 watts, par exemple, permet généralement une découpe rapide et économique pour la plupart des épaisseurs de feuille acrylique tout en fonctionnant à seulement environ 75 % de sa puissance. Les machines d'une puissance encore plus élevée, comprise entre 500 et 1 000 watts, permettent des vitesses d'avance beaucoup plus élevées et permettent également l'utilisation simultanée de plusieurs têtes de coupe.

Procedures: Setting Up To Cut Acrylic Sheet

Il est généralement observé qu’une augmentation de la puissance laser à une vitesse d’alimentation spécifique se traduira par une finition plus brillante. Cependant, l'inconvénient est que cela augmente également le niveau de contrainte au niveau du bord de la feuille. À l’inverse, l’utilisation d’une vitesse d’avance plus rapide combinée à une fréquence d’impulsion plus rapide produira généralement un bord avec moins de contraintes, même si la surface sera moins brillante.

Concernant la fréquence du pouls (qui est mesurée en impulsions par seconde, ou pps), il s'agit simplement de la fréquence à laquelle le laser « tire ». Il est important de comprendre que le faisceau laser est en réalité une série de petites rafales, ou impulsions, plutôt qu’un flux continu. Vous pouvez contrôler la fréquence cardiaque de deux manières principales : proportionnellement au temps ou proportionnellement à la distance parcourue.

Bien que la méthode consistant à rendre la fréquence du pouls proportionnelle au temps soit plus courante et plus facile à programmer au départ, cette méthode conduit souvent à des coins intérieurs brûlés. La raison en est que le contrôleur X-Y prend naturellement plus de temps pour parcourir un virage que pour parcourir une ligne droite. En conséquence, les coins-en particulier ceux intérieurs-ont tendance à absorber trop d'énergie, ce qui les fait fondre et devenir trop sollicités-. Il s'agit d'un point essentiel à prendre en compte lors de la découpe de matériaux sensibles aux encoches comme l'acrylique et le polycarbonate. Les coins intérieurs sont généralement des zones faibles qui supportent des charges élevées. Par conséquent, tout doit être fait pour minimiser les contraintes ou les encoches dans ces zones.

Rendre la fréquence du pouls proportionnelle à la distance parcourue élimine une grande partie de ce problème. Comme le contrôleur ralentit automatiquement la vitesse d'avance dans les coins, la fréquence d'impulsion ralentit également. Cela garantit que la quantité d’énergie émise à tout moment le long de la coupe reste constante.

Peu importe la sophistication de votre contrôleur ou la vitesse de votre avance ; la contrainte de bord est quelque chose qui devra toujours être pris en compte dans certaines applications. Chaque fois qu'une feuille d'acrylique ou de polycarbonate est chauffée, un risque de stress thermique existe. Ce problème est particulièrement important lorsque seule une partie de la feuille est chauffée, ce qui est exactement ce qui se produit lors de la découpe laser.

L'interface entre le corps non-chauffé de la feuille et le bord rapidement chauffé et refroidi rapidement est très susceptible de se fissurer. Ces zones fortement sollicitées peuvent s'étendre sur environ 0,010 à 0,050 pouces dans la feuille, selon l'épaisseur. Ces zones sont très sujettes au faïençage si elles entrent en contact avec des solvants incompatibles ou sont soumises à des contraintes mécaniques élevées, comme la flexion.

Vous pouvez minimiser ce problème de contrainte de bord en ajustant la vitesse d'avance, la fréquence d'impulsion et la puissance. L'utilisation d'une puissance inférieure et d'une fréquence d'impulsion plus lente, combinées à une vitesse d'alimentation relativement rapide, réduit la quantité totale d'énergie ou de chaleur absorbée par la feuille. Ceci, à son tour, réduit à la fois l’ampleur de la contrainte et la distance sur laquelle la contrainte se propage dans la feuille. Cependant, il faut accepter que ces conditions se traduisent par une finition des bords moins brillante. dans certains cas spécifiques, il peut s'avérer pratique de gratter ou d'usiner entièrement les zones sollicitées.

La plupart des-systèmes laser haute puissance sont équipés d'une table de maintien à vide-et d'un flux d'assistance au gaz. Plusieurs facteurs peuvent ici influencer la qualité finale de la coupe : le type de gaz utilisé, le débit de ce gaz et l'efficacité de la table aspirante pour évacuer les vapeurs. Un bon flux de gaz à travers la coupe, combiné à un vide efficace, aide à éliminer les vapeurs qui pourraient autrement endommager la pièce, provoquer de petites flammes et carbonisations, ou laisser des résidus indésirables.

Laser Cuttable Masking

La performance du masquage est une autre considération majeure lors de la sélection d’une feuille acrylique pour votre application spécifique. Si le masquage n’adhère pas correctement, les pièces peuvent être endommagées ou rayées pendant le processus de fabrication, et l’efficacité du processus lui-même peut être affectée négativement. A l’inverse, si le masquage est trop difficile à enlever, cela entraîne une main d’œuvre supplémentaire et des coûts plus élevés. Choisir le bon masquage pour le processus de fabrication est essentiel pour minimiser ces problèmes.

Traditionnellement, le masquage en papier constitue le choix standard pour la découpe laser. L'avantage ici est qu'il ne fusionnera pas avec l'acrylique sur les bords de la coupe. Son adhérence forte et constante empêche le masquage de se soulever lors de la manipulation et de la découpe, ce qui protège la surface acrylique des gaz chauds et corrosifs générés par le laser. Cependant, le masquage en polyéthylène-découpable au laser est désormais également disponible sur feuille acrylique.

Pour les scénarios nécessitant une efficacité et un rendement maximum, un masquage en polyéthylène adhésif léger -spécialement formulé peut être utilisé. Ce type de masquage est très facile à retirer d'une pièce finie, tout en offrant suffisamment d'adhérence pour résister à des manipulations ordinaires. Bien qu'il s'agisse rarement d'un problème majeur, ce type de masquage peut se soulever dans les zones où le laser reste trop longtemps inutilisé, en raison de sa formule adhésive plus légère. Cela se produit généralement au début d'une coupe ou lors de coupes à rayon très serré. Vous pouvez facilement empêcher ce soulèvement en utilisant une "entrée" au début de la coupe et en réduisant la fréquence du pouls ou la puissance lors de la navigation dans les virages serrés.

Si vous avez besoin d'un bord impeccable et poli, il existe un masquage en polyéthylène non-adhésif spécialement formulé. Étant donné que tous les masquages à base d'adhésif-laissent au moins quelques résidus sur le bord coupé, ils peuvent légèrement diminuer l'aspect poli. Par conséquent, pour les applications qui exigent une apparence de la plus haute qualité, un masquage non-adhésif « découpable au laser » est recommandé. Bien que ce masquage puisse être légèrement plus difficile à enlever que le type adhésif, il offre un bord de qualité légèrement supérieure et est plus résistant au soulèvement des bords. Si un levage se produit, vous pouvez prendre des mesures similaires à celles décrites ci-dessus.

Un autre point à considérer concernant le masquage concerne les rides. Pour conserver l'optique d'origine de la feuille, le masquage-en particulier sur la surface supérieure-doit être exempt de plis. Si le masquage n'est pas en contact direct avec la feuille au point de découpe, des gaz chauds peuvent rester piégés entre le masquage et la feuille, ce qui attaquera la surface. La gravure pose généralement moins de problèmes au bas de la feuille, car la plupart des tables X-Y utilisent un système de maintien sous vide-, qui élimine efficacement les gaz chauds avant qu'ils ne puissent causer des dommages.

Comme toute machine sophistiquée, les découpeuses laser nécessitent un entretien régulier pour garantir des performances optimales. Il est recommandé de conserver un enregistrement des réglages de puissance requis pour couper une épaisseur spécifique de matériau à une vitesse spécifique. Au fil du temps, vous constaterez probablement que le réglage de la puissance doit être augmenté ou que la vitesse de coupe doit être réduite. Cela est généralement dû au fait que l’optique laser est sale ou floue. Dans ce cas, la qualité de la coupe se dégradera. Un entretien régulier effectué par un technicien qualifié est essentiel pour maintenir l’efficacité et la qualité de coupe.

Même si les lasers sont sans aucun doute des outils-puissants et sophistiqués, ils ne sont pas nécessairement plus dangereux que tout autre équipement d'atelier, à condition qu'ils soient installés et utilisés correctement. Habituellement, des lunettes de sécurité standard suffisent pour protéger les yeux. Cependant, il est essentiel de noter que toutes les lunettes de sécurité standards ne sont pas opaques à la longueur d’onde lumineuse de 10,6 microns (soit une densité optique de 5 à 10 600 nanomètres), ce qui est courant pour ces lasers.

Selon la norme ANSI Z136.1, les lunettes de sécurité doivent être clairement étiquetées avec la longueur d'onde et le facteur de protection de la densité optique.

De plus, un système d’échappement est absolument nécessaire pour éliminer les vapeurs potentiellement nocives produites lors de la coupe. Selon le matériau spécifique à traiter, il peut même être nécessaire de filtrer ces vapeurs avant de les évacuer vers l'environnement extérieur. Comme c’est le cas pour tout équipement, il est obligatoire d’avoir une bonne connaissance des procédures de fonctionnement et de sécurité avant d’utiliser un système de découpe laser.

Emissions

Un certain nombre d'enquêtes scientifiques ont été réalisées par divers chercheurs pour tenter de déterminer la quantité et le type exacts d'émissions résultant de la découpe laser de l'acrylique. Malgré tous ces efforts, il reste impossible de prédire avec certitude les sous-produits exacts et leurs concentrations dans les gaz d'émission.

Ces émissions dépendent de divers facteurs, notamment les paramètres du laser, les paramètres de traitement, les gaz de couverture utilisés, la méthode d'échappement et la composition chimique exacte du polymère acrylique. De plus, la plupart de ces études ne tiennent pas compte des effets du papier protecteur ou du masquage en polyéthylène, ni de l'impact possible de tout revêtement.

Lorsque l’acrylique est découpé au laser, la majeure partie du matériau décomposé est reconvertie en ses monomères constitutifs. dans la plupart des feuilles acryliques, ces monomères sont constitués à plus de 90 % de méthacrylate de méthyle, le reste étant du méthacrylate. Il est également courant que de nombreux fournisseurs utilisent de l'acrylate d'éthyle dans leurs formulations acryliques.

(Il convient de noter que l'acrylate d'éthyle est inclus par le Programme national de toxicité dans sa liste de substances susceptibles d'être cancérigènes. De même, le Centre international de recherche sur le cancer classe l'acrylate d'éthyle comme cancérogène probable.)

Au cours de recherches scientifiques indépendantes menées par Heferkamp, Goede, Engel et Wittbecker, ils ont découvert que parmi les plastiques testés, l'acrylique produisait en fait la plus faible génération d'aérosols (<10 mg/m3). Their work also indicated that over 90% of the emissions generated from laser cutting acrylic were gaseous methylmethacrylate monomer.

D'autres chercheurs, en particulier Troughton, Sims, Ellwood et Taylor, ont découvert qu'en plus du monomère de méthylméthacrylate, il y avait de petites quantités de toluène, de méthy-2-méthyl-3 penténoate, de xylène, de triméthylbenzène et d'alcanes. Fait intéressant, ils n’ont trouvé aucun HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques), ce qui contredisait les découvertes antérieures de Ball, Kulik et Tan.

Il est recommandé d'installer un équipement de ventilation adéquat pour garantir que l'exposition des employés reste inférieure aux niveaux réglementés. De plus, il convient de tenir compte des réglementations environnementales si vous évacuez des gaz à l’extérieur. Les fabricants d’équipements de découpe laser sont généralement en mesure de fournir des conseils sur la manière de collecter et de gérer correctement les émissions laser.