Mise sous tension des lasers industriels

Jul 07, 2023

Alors que les percées les plus exotiques dans les lasers industriels ont tendance à faire la une des journaux, les fabricants de petite et moyenne taille continuent d'exploiter les avantages en matière d'économie de temps et de main-d'œuvre des systèmes de découpe, de soudage et de marquage de fournisseurs qui combinent un guidage intensif des processus avec un logiciel d'exploitation plus intelligent.

Les avancées telles que l'unité portable LightWELD 1500 d'IPG, les systèmes de fabrication additive à haut débit et les lasers à longueur d'onde bleue plus robustes ont reçu de nombreuses distinctions cette année. Le LightWELD était l'un des trois finalistes dans la catégorie fabrication des prix annuels PRISM présentés par SPIE, la société internationale d'optique et de photonique.

Alors que les systèmes de découpe, de soudage et de marquage à grande échelle ont tendance à être au centre de l'ingénierie de fabrication - et nous ne vous décevrons pas, nous vous tiendrons au courant de ces systèmes plus loin dans cet article - il vaut la peine de discuter de la "richesse des niches" offerte par la maîtrise de systèmes basés sur la photonique plus avancés. Les magasins qui investissent dans le bon équipement haut de gamme et naviguent dans le processus rigoureux de validation des fournisseurs ont réussi, par exemple, dans la fabrication sous contrat médicale.

Les deux autres finalistes de la fabrication PRISM, Boston Micro Fabrication (BMF) et nLight, Vancouver, Washington, ont introduit les avancées de l'impression 3D pour augmenter la vitesse et la qualité de la production industrielle. L'AFX-1000 de nLight "a été développé pour permettre l'adoption généralisée de la fusion laser sur lit de poudre... la fabrication additive métallique pour la production en série", selon un communiqué de presse. Le communiqué indiquait que "il a été démontré que le laser à fibre AFX de nLIGHT augmente considérablement les taux de construction tout en maintenant une excellente qualité et cohérence des matériaux. AFX obtient ces résultats en permettant d'adapter la taille et la forme du faisceau en temps réel, entièrement dans le laser à fibre, et sans l'utilisation d'optiques complexes en espace libre".

BMF ultimate a remporté le PRISM 2021 pour son imprimante 3D de micro-précision microArch S240 adaptée à la production industrielle à court terme. Le S240 "est construit sur la technologie brevetée de micro-stéréolithographie par projection de BMF ou PµSL, une technique qui permet une photopolymérisation rapide d'une couche entière de polymère liquide à l'aide d'un flash de lumière UV à une résolution microscopique", selon un communiqué de presse. "La production supérieure de pièces complexes, exactes et reproductibles rend PµSL optimal pour les cas d'utilisation de pièces finales et de prototypage dans un large éventail d'industries, y compris la fabrication de dispositifs médicaux, la microfluidique, les MEMS, la biotechnologie et les produits pharmaceutiques, l'électronique, l'éducation et la recherche et développement."

Pour le soudage des composants en cuivre et en aluminium dans les batteries lithium-ion, en particulier pour les véhicules électriques, les lasers bleus ont pris de l'importance grâce aux métaux absorbant la longueur d'onde à des taux plus élevés que la lumière infrarouge. Nuburu, Centennial, Colorado, nominé au PRISM 2017, a remporté de nouveaux brevets cette année pour ses applications de soudage et d'impression 3D.

Le soudage par batterie "est un domaine très populaire pour les études de soudage au laser", a noté Mark Barry de Prima Power Laserdyne, vice-président des ventes et du marketing pour la société basée à Brooklyn Park, Minnesota. En règle générale, l'intérêt pour le traitement au laser pour les petites pièces de précision est croissant. Un exemple typique est le LASERDYNE 811, qui a été développé pour des applications de production de moteurs à turbine mais qui est maintenant acheté par des entreprises ayant des applications dans le domaine automobile.

La fabrication de moteurs à turbine "a été durement touchée pendant la pandémie", a noté Barry. "Un certain nombre de programmes de moteurs se sont arrêtés. Mais nous sommes agréablement surpris qu'en 2021, bien qu'il y ait encore de l'incertitude avec les nouveaux programmes de moteurs, les fournisseurs de niveaux 1 et 2 se renseignent sur de nouveaux équipements."

Plus généralement, a-t-il conclu, « ce qui est intéressant maintenant, c'est l'augmentation du nombre de clients potentiels et d'ingénieurs avec lesquels nous n'avons pas travaillé auparavant et qui sont très intéressés par les possibilités d'assemblage au laser. Au cours des deux dernières années, nous avons vu de plus en plus d'entreprises réfléchir et mettre en œuvre des conceptions de composants qui vous permettront d'envisager le soudage au laser. Cela est dû à la vitesse du laser, aux possibilités d'automatisation et à la cohérence du traitement, et au simple fait que l'industrie ne trouve pas de soudeurs qualifiés, nous devons donc rouvrir la porte pour envisager l'utilisation du traitement au laser.

Le projet parallèle d'un fabricant - des accessoires en aluminium pour semi-remorques - a suscité un investissement important dans un système de soudage au laser qui a amené l'entreprise à rechercher d'autres façons d'utiliser le nouveau système.

Iowa Customs, Carroll, Iowa, une entreprise issue de Terad Fabricating, s'est tournée vers Amada America Inc., Buena Park, Californie, lorsque la demande pour ses marches et ses composants d'éclairage a décollé, a expliqué Dan Belz, chef de produit FLW pour Amada.

"Il est difficile maintenant d'avoir des soudeurs qualifiés, même dans une zone métropolitaine, mais lorsque vous êtes dans une zone rurale, c'est encore plus difficile", a noté Belz. "En plus de cela, les bons soudeurs en aluminium sont plus difficiles à trouver ; ce n'est pas une soudure facile."

Au fur et à mesure que Iowa Customs grandissait, le propriétaire passait neuf heures par jour à souder au TIG des dizaines de produits. En achetant un système laser à fibre Amada FLW3000 ENSIS, « il a retrouvé ses jours. Le FLW soude non seulement plus rapidement mais mieux car il n'y a pas de post-traitement ; il peut simplement envoyer des produits pour les faire anodiser », a déclaré Belz.

Iowa Customs conçoit et construit ses propres luminaires, y compris pour un kit d'éclairage auxiliaire de 36 × 12 × 12" (91,44 × 30,48 × 30,48 cm). "C'est de l'aluminium d'un poids assez important", a déclaré Belz. "Nous avons légèrement modifié leurs conceptions pour le soudage au laser et nous avons beaucoup aidé dans le processus. Mais ils soudent beaucoup ; c'est un magasin intelligent, alors ils se sont rapidement lancés dans la machine. »

Lors de la transition du soudage TIG au soudage laser à fibre, a expliqué Belz, la refonte de la pièce impliquait une optimisation pour des ajustements plus serrés. Pour TIG, le luminaire est grand et lourd en raison de la chaleur et du fil mis dans le processus. "C'est devenu un accessoire en tôle - un calibre un peu plus léger, un peu plus indulgent. Nous avons éliminé le fil, et vous obtenez une belle soudure par fusion solide et propre, et nous avons pratiquement éliminé le meulage et le polissage."

De plus, maintenant "l'opérateur gère la table et le laser de découpe ; ils sont passés d'un type passant tout son temps à souder à lui à faire autre chose et l'opérateur laser à entretenir et à alimenter le FLW".

Pendant ce temps, ciblant les applications de soudage TIG et MIG traditionnelles, IPG a lancé son système de soudage laser portable LightWELD 1500 en novembre 2020. Conçu comme une unité industrielle refroidie par air et à haute fiabilité, LightWELD a été adopté par les ateliers de fabrication, les entreprises de CVC, les fabricants d'équipements lourds et les principales entreprises aérospatiales, selon John Bickley, directeur du marketing des systèmes pour IPG. "Presque tous ceux qui ont des applications de soudage léger qui ne conviennent pas à la fabrication automatisée en bénéficieront."

Mesurant 316 × 641 × 534 mm, LightWELD est plus petit que certains soudeurs TIG traditionnels. La puissance du système est réglable jusqu'à une puissance laser moyenne de 1 500 W, avec une puissance de crête de 2 500 W, pour produire un soudage en une seule passe d'aciers et d'aluminium jusqu'à 4 mm d'épaisseur. Utilisant une taille de point de 150 µm pour obtenir à la fois une précision et une densité de puissance élevée pour la compatibilité avec les matériaux réfléchissants, la fonction d'oscillation intégrée de LightWELD permet d'étendre la largeur de couture jusqu'à 5 mm. Une flexibilité supplémentaire pour s'adapter aux pièces avec des espaces d'ajustement plus larges est fournie par le chargeur de fil automatique en option.

Comme pour tous les soudages au laser, LightWELD met beaucoup moins de chaleur dans la pièce et crée moins de dommages et de distorsion induits par la chaleur que le soudage MIG et TIG traditionnel. Les utilisateurs de LightWELD signalent des temps de soudage plus rapides que les méthodes traditionnelles et des assemblages nécessitant peu ou pas de finition après soudage. La combinaison d'un temps de soudage plus rapide, d'effets thermiques réduits et d'un temps de finition réduit se traduit par un débit plus élevé.

Par rapport aux méthodes de soudage manuelles traditionnelles qui nécessitent une coordination habile de la vitesse de déplacement, du tissage, de la vitesse d'alimentation du fil et éventuellement du contrôle de la pédale, LightWELD, avec sa largeur d'oscillation programmable, est une technique de soudage plus facile à apprendre, et les novices relatifs peuvent facilement produire de bons résultats après seulement quelques pièces d'entraînement, selon l'entreprise. Les paramètres de processus recommandés par IPG sont fournis pour des combinaisons de matériaux et d'épaisseurs typiques, permettant aux nouveaux utilisateurs d'être des producteurs efficaces presque immédiatement.

En plus du processus de soudage, le laser peut être utilisé pour la finition et le nettoyage. En utilisant des variantes du procédé de soudage, une "passe esthétique" peut encore améliorer la finition et l'apparence d'un cordon de soudure, et une fonction de nettoyage optionnelle planifiée fournira une capacité de préparation de la surface avant le soudage dont l'application ne sera pas limitée aux pièces traitées au laser.

En fin de compte, "LightWELD met beaucoup moins de chaleur dans la pièce et produit un joint de haute qualité et visuellement attrayant en un temps plus court", a conclu Bickley. "Le soudage LightWELD est facilement réalisé par des opérateurs relativement inexpérimentés et jouera un rôle dans la résolution de la pénurie critique de capacités de soudage hautement qualifiées."

La flexibilité d'avoir une précision laser dans un système d'usinage CNC traditionnel continue de gagner du terrain dans la rationalisation des processus de fabrication.

Le système Laser L2000 de Marubeni Citizen-Cincom Inc. (MCC) - qui combine le tournage, le perçage et le fraisage avec la découpe, le soudage et la gravure au laser à fibre - est particulièrement utile pour les clients qui n'ont normalement pas de machines à barres, a noté Randy Nickerson, chef de produit laser pour MCC, Allendale, NJ

"Avoir un laser dans nos machines multi-axes vous permet non seulement d'effectuer tout travail de tournage (tour) qui pourrait être nécessaire avant ou après les fonctions laser, mais cela vous donne également la possibilité d'effectuer n'importe quel ébavurage", a expliqué Nickerson. Alors que des pièces typiques peuvent avoir besoin d'être tournées sur un tour, affinées par un laser et amenées sur un banc pour ébavurage, "notre système sur une machine d'alimentation de barres à neuf axes avec arrosage haute pression et contrôle du brouillard serait en mesure d'effectuer toutes ces fonctions de manière plus économique. Cela éliminerait le temps d'attente entre le tour et le laser et, dans la plupart des cas, le temps de travail sur banc complètement. C'est beaucoup d'économies et une réduction du temps pour obtenir une pièce finie."

Pendant un certain temps, les clients suisses traditionnels de MCC ont laissé passer de nombreuses opportunités de découpe au laser "en raison de l'absence de moyens efficaces de production des pièces", a rappelé Nickerson. "Cela nous a amenés à rechercher où ces types de pièces étaient fabriqués. Cela nous a amenés au secteur de la fabrication de produits laser ; ces entreprises obtenaient les pièces une fois le travail de tour terminé et ne faisaient que les fonctions laser. Nous avons transformé certains de ces fabricants en un nouveau groupe de clients suisses avec l'ajout de l'option laser."

MCC a développé des systèmes pour insérer des ébauches de pièces prédécoupées dans des pinces à l'aide d'une variété de chargeurs. "L'utilisation de bols d'alimentation, d'alimentations par étapes, de robots et de systèmes de chargement et de déchargement automatiques conçus par MCC offre à nos clients des outils pour aborder et améliorer leur processus de fabrication. Cela est particulièrement important lors de la fabrication de composants complexes."

La plupart des applications rencontrées par le MCC "ont un diamètre inférieur à 20 mm, certaines mesurant moins de 0,5 mm. Les pièces de petit diamètre sont très difficiles car vous ne pouvez pas toujours les faire fonctionner à partir de barres en raison de la taille et de l'instabilité de la rotation d'une longue barre à haut régime". Le département d'automatisation de MCC conçoit et construit des unités pour relever ces défis. "Nous avons utilisé des bols d'alimentation pour charger des pièces de moins de 0,5 mm et des alimentateurs à étages jusqu'à 1,5 mm de diamètre. Beaucoup de ces pièces sont des tubes avec une épaisseur de paroi aussi fine que 0,004" (0,102 mm)."

Les puissances laser sont disponibles de 100 W à 6,5 kW, et toutes sont refroidies par air, éliminant ainsi le besoin d'un refroidisseur. "Nous avons maintenant également un capteur de température et d'humidité dans notre tête de coupe pour surveiller ces niveaux et s'arrêter lorsque l'un de ces niveaux augmente au point que l'unité pourrait être endommagée."

Le suivi et la traçabilité étant une part croissante de la surveillance des performances des pièces et des produits d'origine, ainsi que de la prévention des contrefaçons, le marquage au laser est « une industrie formidable », a déclaré Nicholas Kaczmarski, directeur national des ventes pour Beamer Laser Marking Systems, Flushing, Michigan.

Les exigences strictes des industries des armes à feu, de l'aérospatiale et de la médecine alimentent les progrès du marquage laser, en particulier lorsqu'il s'agit de solutions techniques intégrant une automatisation personnalisée pour augmenter le débit tout en éliminant les erreurs de l'opérateur.

L'industrie des armes à feu étant particulièrement occupée, Kaczmarski a noté que le marquage qui avait été effectué dans les mêmes machines CNC dans lesquelles les composants étaient fabriqués est déplacé vers des systèmes de marquage dédiés. Le marquage de ces pièces dans la machine CNC pouvait prendre de 30 secondes à deux minutes, a-t-il expliqué ; maintenant, ce temps est consacré exclusivement à la production de pièces.

Alors que Kaczmarski s'attend à ce que les marchés médicaux et automobiles reprennent à mesure que ces industries s'éloignent des stocks juste-à-temps nécessités par la pandémie de COVID-19, il a noté que "nous commençons à voir une augmentation spectaculaire des applications de marquage laser pour l'aérospatiale". Grâce à la norme de marquage Mil-Std 130N du ministère de la Défense, ainsi qu'à l'approbation par la FAA du marquage au laser, les applications de marquage de la défense et de l'aérospatiale commerciale seront un élément important de ce que Kaczmarski prédit sera une "augmentation exponentielle de l'industrie du marquage au cours des 25 prochaines années".

Environ 70 % des applications peuvent être résolues par une variante de l'une des solutions standard de Beamer, a expliqué Kaczmarski, "alors que 30 % de toutes les solutions de marquage laser industriel sont résolues par nos solutions techniques ou en ligne."

Dans le cas d'un client d'armes à feu, Beamer a conçu un système qui a amélioré le débit de 20 % en utilisant un système laser galvo de 100 W et un équipement d'extraction des fumées du fournisseur partenaire TBH GmbH, Straubenhardt, Allemagne. Le logiciel Marking Creator 3.0 de Beamer offre "un avantage concurrentiel unique" grâce à la possibilité pour les utilisateurs de modifier "une multitude de paramètres supplémentaires" inhabituels pour les logiciels de marquage typiques.

Chez Dapra Marking Solutions, Bloomfield, Connecticut, l'élargissement de la "fenêtre de marquage laser" a été une priorité, selon Dave Noonan, vice-président.

Les systèmes de marquage basés sur galvanomètre de Dapra sont sur le point d'obtenir une mise à niveau de l'interface pour permettre aux opérateurs de marquer plus facilement de plus grandes zones, a expliqué Noonan. À la différence des lasers montés sur des portiques aériens, les unités galvo marquent en déviant les faisceaux avec un miroir, ce qui permet d'ajuster les angles dans les limites d'une zone de marquage.

"Nous parlons souvent à des gens qui ont des applications comme une plaque signalétique de 9 pouces (22,86 cm) ou qui souhaitent regrouper plusieurs pièces", a expliqué Noonan. "Le problème n'est pas que la technologie n'existe pas - nous pouvons faire des plates-formes XYZ - mais le côté logiciel de l'équation est l'endroit où le caoutchouc rencontre la route, et c'est là que la plupart des interfaces laser que j'ai vues échouer." Cela permettra aux utilisateurs de marquer, par exemple, dans une fenêtre de 24 pouces2 (155 cm2) par opposition à Espace de 4 × 7" (10,16 × 17,78 cm). "L'interface opérateur beaucoup plus simplifiée de Dapra offre à un client la possibilité de marquer des fenêtres de marquage beaucoup plus grandes sans avoir besoin d'un ingénieur pour la configurer et l'exécuter".

Et, comme la capacité des plates-formes de marquage XYZ peut souvent doubler le coût d'un système, Dapra s'efforce de les rendre plus abordables, a ajouté Noonan.

"Nous pensons que nous avons un vrai gagnant ici, car maintenant nous sommes évolutifs. Si vous marquez des armes à feu et que vous voulez faire des canons et aligner 10 pistolets sous une tête laser, que le système soit de style ouvert ou fermé - nous pouvons fournir l'un ou l'autre - les clients auront la possibilité d'interagir avec n'importe quelle zone de cette arme à feu lorsqu'elle se trouve là. "

Cette capacité de marquage galvo à plus grande surface sera disponible sous deux noms de système, a déclaré Noonan. "Nous nommons actuellement nos produits par boîtier laser", mais le plan est de commencer à cibler les machines sur des industries individuelles, notamment la médecine, l'aérospatiale, l'énergie et l'automobile.

Une visite à la Smart Factory de Trumpf à Chicago a été le début d'une collaboration qui a rapporté de gros dividendes pour Claborn Manufacturing, fournisseur d'équipements de sécurité basé à Tanner, en Alabama.

Cherchant à réduire le travail manuel et le poids des pièces pour ses portes de sécurité creuses en métal de 36 × 84" (91 × 213 cm), Claborn a réduit le poids de 20 %, éliminé les étapes de finition et utilisé des morceaux de tôle minces restants dans la construction.

À l'origine, Claborn fabriquait ses portes en utilisant le soudage par points par résistance pour joindre les sections de chapeau sur chaque feuille de face, puis en utilisant des processus GMAW manuels pour souder les moitiés ensemble, a rappelé l'ingénieur en conception de produits Ric Hall. Plusieurs soudures en bouchon nécessitant une main-d'œuvre intensive pour remplir et meuler avant l'apprêt et la peinture ont encore ralenti le processus, a ajouté le directeur de l'usine, Jeff Fulks.

À la Smart Factory de Trumpf, Masoud Harooni, chef de produit de soudage au laser, a démontré des méthodes permettant de gagner du temps qui ont catalysé une refonte des portes de Claborn pour une production plus efficace et reproductible.

"Tous les joints d'un côté de chaque porte ont dû être coupés, soudés au MIG puis meulés", a expliqué Harooni. "Maintenant, ce sont des coutures soudées au laser. La première passe est pour la pénétration de la chaleur, et la seconde est pour la conduction de la chaleur avec un faisceau plus défocalisé" qui offre une finition plus esthétique.

Depuis le début de leur collaboration, "Trumpf a envoyé un support d'application pour nous aider à plusieurs reprises à nous aider à surmonter les défis", a déclaré Hall. "Quand les gens voient l'automatisation, ils voient le produit final et voient le robot exécuter parfaitement tout, mais cela prend un certain temps pour y arriver. Vous devez fixer vos pièces pour que les coutures soient au même endroit au fil du temps."

Le logiciel TruTops Weld de Trumpf permet à Claborn de charger des modèles de pièces 3D dans un environnement virtuel et de tracer avec précision chaque soudure ; chaque porte nécessite environ 20 minutes de soudure.

La création d'une équipe de quatre personnes pour concevoir un flux de travail optimal était essentielle au succès de Claborn, a expliqué Fulks. L'équipe comprend Hall, un programmeur dédié et deux opérateurs. "Nous avons concentré beaucoup d'attention sur le développement d'ensembles de compétences spécifiques pour chacun de ces rôles afin de rechercher et de développer notre nouvelle conception de porte tout en tenant compte de l'utilisation de la soudeuse au laser et du système robotique", a ajouté Fulks.

Lorsque les portes ont finalement été soumises aux tests d'agression physique de l'ASTM, "nous avons facilement atteint le niveau de sécurité le plus strict de l'industrie", a déclaré Hall.

Après avoir optimisé son processus, Claborn applique également son équipement Trumpf - une TruLaser 1030 pour la découpe à plat, une machine poinçonneuse et laser TruMatic 6000 et une cellule TruLaser 5000XL avec système de navette de pièces - pour fabriquer des panneaux de plafond et de mur. L'entreprise étudie également les autres types de travail que ses systèmes peuvent gérer.

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