FrançaisHistoriquement, l’augmentation de la puissance du laser a été considérée comme la méthode la plus simple et la plus efficace pour améliorer l’efficacité des processus d’usinage. Pourtant, avec l'avènement des découpeuses laser de 60 000 watts, un débat a émergé au sein de l'industrie sur la question de savoir si nous avons atteint la limite supérieure des capacités de puissance laser. Wu Rangda, président de Penta Laser, affirme que ce niveau de puissance est suffisant pour supplanter complètement les technologies de coupage au plasma et à la flamme. Il suggère que dépasser ce seuil ne générera pas de gains substantiels en matière de réduction de l'efficacité ou de la capacité, mais entraînera plutôt une augmentation des coûts et de la consommation d'énergie pour les utilisateurs.
Cependant, la quête d’une plus grande efficacité dans le secteur industriel est perpétuelle. Si nous avons effectivement atteint le summum de ce que la puissance laser peut offrir, quelles voies nous reste-t-il à explorer dans notre quête d’une efficacité d’usinage améliorée ? Examinons des stratégies alternatives permettant d'optimiser les performances sans compter sur une puissance laser accrue.
Doubler l’accélération : l’intégration innovante de poutres en fibre de carbone
Le défi consistant à améliorer les performances des machines-outils sans remanier la technologie de base n'a pas empêché l'auteur de dormir longtemps la nuit. Sa récente visite chez Feiyue Laser a fourni une étincelle d'inspiration, notamment grâce à leur approche innovante de la conception de la base de la machine.
Feiyue Laser, une entreprise de haute technologie leader, a réalisé des progrès significatifs dans l'application et le développement de la technologie laser de précision. Leur expertise s'étend sur diverses applications laser, notamment la découpe, le soudage et le marquage, avec de solides antécédents de succès. Liu, directeur général de Feiyue Laser, a déclaré avoir lancé une démarche révolutionnaire l'année dernière en intégrant des poutres en fibre de carbone dans leurs machines. Ces poutres offrent un mélange convaincant de haute résistance, de résistance à la déformation et de conception légère, ce qui améliore non seulement l'efficacité du traitement, mais contribue également à la réduction des coûts dans les applications pratiques.
La poutre est un élément central des machines-outils à portique, ses propriétés statiques et dynamiques dictant les performances globales de la machine. Ceci, à son tour, influence considérablement l’efficacité, la précision et la stabilité du traitement de la machine. Traditionnellement, les machines-outils utilisaient des poutres métalliques, principalement en acier et en alliage d'aluminium.
Les poutres en acier moulé sont réputées pour leur stabilité et leur précision, mais leur poids important limite généralement leur utilisation à des applications qui n'exigent pas des opérations à grande vitesse. Pour atteindre des capacités de vitesse et d'accélération élevées, ces machines nécessitent des moteurs puissants avec un couple important, ce qui peut constituer un facteur limitant lorsque les performances dynamiques atteignent leur apogée. Pour contrer cela, l’industrie a commencé à explorer les poutres en alliage d’aluminium afin de réduire le poids. Cependant, malgré leur légèreté, les poutres en aluminium imposent toujours des limites en termes d'amélioration de la vitesse et de l'accélération. Le faible module du matériau le rend plus doux et plus sujet à la déformation, et son coefficient de dilatation thermique élevé peut nuire à la précision de la machine. Par conséquent, un recalibrage des poutres en alliage d’aluminium est souvent nécessaire tous les 3 à 6 mois pour maintenir la précision.
La poutre en fibre de carbone est remarquablement plus légère, faisant pencher la balance à seulement 1/5 à 1/4 du poids de l'acier et 1/3 à 1/2 de celui de l'alliage d'aluminium. Cette réduction substantielle de poids change la donne, nous permettant d’augmenter considérablement les capacités de vitesse et d’accélération de nos machines-outils. Liu, de l'équipe R&D de Feiyue Laser, a partagé que depuis l'incorporation du faisceau en fibre de carbone, ils ont pu faire des progrès impressionnants.
L'équipe a non seulement doublé l'accélération de ses machines de découpe de précision, passant de la gamme précédente de 0,8G à 1G à une impressionnante 2G, mais elle a également réalisé un bond remarquable en termes de précision. La précision a été considérablement élevée jusqu'au micron, ce qui témoigne de l'impact transformateur de la technologie de la fibre de carbone sur leurs machines. Cette innovation n’est pas seulement une question de vitesse ; il s'agit de précision et d'efficacité, établissant une nouvelle norme dans l'industrie.
Poutres en fibre de carbone : une innovation rentable en matière d'efficacité des machines-outils
Liu a souligné non seulement les avantages en termes de vitesse des faisceaux en fibre de carbone chez Feiyue Laser, mais également leur potentiel de réduction des coûts. Tirant parti de la légèreté naturelle de la fibre de carbone, ces poutres ont une inertie de mouvement minimale, ce qui réduit considérablement les exigences imposées aux systèmes de crémaillère et de moteur de la machine et réduit également le poids total de la base de la machine. Traditionnellement, pour obtenir des performances à grande vitesse et à forte accélération avec des poutres en acier ou en alliage d'aluminium, il fallait utiliser des moteurs puissants à couple élevé. Cependant, grâce aux poutres en fibre de carbone, Feiyue Laser a réussi à maintenir le même niveau de performances tout en réduisant efficacement les coûts associés à la base, au rack et au moteur de la machine. Même avec des moteurs standards, ils peuvent désormais atteindre une accélération de 1G, avec une amélioration notable de la précision.
Dans le secteur industriel, la recherche incessante de vitesses et d’accélérations plus élevées se fait souvent au détriment de la précision, et vice versa. L'amélioration simultanée des deux nécessite généralement un investissement substantiel dans des moteurs et des racks plus robustes, ce qui n'est pas toujours justifié par la valeur ajoutée pour l'utilisateur. Liu a souligné que les petites et micro-entreprises ne peuvent pas se permettre des investissements à haut risque qui pourraient ne pas être acceptés par leurs clients. Cependant, les poutres en fibre de carbone ont augmenté la probabilité d'améliorations réussies de l'accélération pour une fraction du coût des poutres métalliques traditionnelles, ce qui a incité Feiyue Laser à éliminer complètement les poutres métalliques au profit de la fibre de carbone.
Pour les utilisateurs finaux, l'adoption de poutres en fibre de carbone se traduit par des économies substantielles. Avec l'accélération du nombre de machines-outils passant de 1G à 2G, les utilisateurs peuvent désormais obtenir le rendement de deux machines avec l'investissement d'une seule, augmentant ainsi considérablement la valeur de leurs machines. De plus, les poutres plus légères réduisent l'usure des rails de guidage et des crémaillères qui supportent la charge de mouvement principale, prolongeant ainsi la durée de vie de ces composants et de l'équipement dans son ensemble.
Il est important de noter que le processus de fabrication des poutres métalliques implique un travail à chaud, ce qui peut introduire des contraintes résiduelles entraînant une flexion et une déformation au fil du temps, affectant la précision de la machine. Même avec des traitements thermiques de vieillissement répétés, ces contraintes ne peuvent pas être entièrement éliminées. Les poutres en alliage d'aluminium, étant plus souples, sont sujettes à la déformation et nécessitent un réétalonnage fréquent pour garantir la précision, ce qui augmente les coûts du service après-vente et entraîne des temps d'arrêt potentiels pour la maintenance.
En revanche, la fibre de carbone, étant un matériau inorganique et fragile, ne subit pas de déformation plastique. Son allongement minimal à la rupture et sa résistance au fluage et à la fatigue lui permettent de maintenir une grande précision sans nécessiter de réétalonnages fréquents. Le poids plus léger des poutres en fibre de carbone réduit également les contraintes sur le moteur, minimisant ainsi la génération de chaleur et le risque associé de grillage du moteur. Cela aide non seulement les entreprises à économiser sur les coûts après-vente, mais épargne également aux utilisateurs les désagréments liés aux arrêts fréquents pour maintenance.
Poutres en fibre de carbone : une solution naturelle pour les machines de découpe laser haute puissance ?
Étant donné que Feiyue Laser fabrique principalement des équipements laser de précision, qui ne correspondent peut-être pas initialement aux besoins des machines de découpe laser haute puissance comme mentionné précédemment, l'auteur a cherché une réponse plus appropriée à la question initiale. Grâce à la présentation de Liu, directeur général de Feiyue Laser, l'auteur a contacté Beijing Hithunder Composite Materials Technology Co., Ltd., l'unique fabricant de poutres en fibre de carbone en Chine.
M. Li, président de Hithunder, a expliqué que sa société a apporté son soutien à un fabricant national de machines de découpe laser ultra-haute puissance d'une puissance nominale supérieure à 10 000 watts et qu'elle a reçu un nombre important de commandes. Bien que ces machines donnent la priorité à la vitesse et à l’accélération, en particulier lorsque la puissance est à son maximum, leurs exigences en matière de précision ne sont peut-être pas aussi strictes que celles des équipements de précision.
L'auteur reconnaît qu'après avoir augmenté la puissance du laser, la vitesse est souvent limitée lors de la découpe de motifs complexes ou petits. Seules des lignes ou des arcs plus longs et droits peuvent véritablement profiter des avantages de vitesse d'une puissance élevée. Avec les progrès du design industriel, les objets traités par les machines-outils deviennent de plus en plus courbés, raffinés et complexes, ce qui signifie qu'une puissance élevée ne peut à elle seule améliorer complètement l'efficacité du traitement. La clé réside dans l’accélération et la vitesse de l’axe de mouvement, en particulier l’accélération du faisceau.
Actuellement, les poutres en acier sont trop lourdes et leurs moteurs d'entraînement manquent de puissance et de couple, ce qui entraîne des vibrations qui limitent l'amélioration des performances. Bien que les poutres en aluminium soient plus légères, leur souplesse et leur manque de rigidité entraînent des vibrations lors de l'accélération, ce qui limite également l'amélioration des performances. Les poutres en fibre de carbone, en revanche, sont légères et offrent une rigidité supérieure à celle de l'aluminium, se rapprochant de celle de l'acier. De plus, le matériau lui-même possède d’excellentes propriétés d’amortissement de la propagation des vibrations, contribuant ainsi à la réduction des vibrations induites par le mouvement. Par conséquent, les poutres en fibre de carbone peuvent améliorer considérablement les performances dynamiques des machines de découpe haute puissance.
M. Li a également discuté de la résistance de la poutre en fibre de carbone aux dommages accidentels. Les poutres à portique utilisent généralement des entraînements de synchronisation à commande numérique à moteur bilatéraux, qui peuvent perdre la synchronisation en cas de défaillance du système de contrôle ou de collisions externes, provoquant potentiellement le blocage ou la torsion ou la déformation importante de la poutre. Les matériaux métalliques, sujets à la déformation plastique, peuvent subir une déformation permanente nécessitant le remplacement des poutres. Cependant, la fibre de carbone ne subit pas de déformation plastique et peut reprendre sa forme originale après une déformation importante, à condition qu'il n'y ait pas de dommage interne. Cette caractéristique rend la fibre de carbone supérieure aux matériaux métalliques et adaptée à une utilisation dans des composants élastiques tels que les plaques à ressorts des tables vibrantes, où elle maintient une élasticité stable sans pourriture.
Hithunder participera à la Laser Expo au Centre international de congrès et d'expositions de Shenzhen (Bao'an New Hall) du 27 au 29 juin, où ils s'engageront dans des échanges approfondis avec des collègues de l'industrie sur le stand C112 dans le hall 9.
