Laser ou jet d`eau, que choisir

FORMAGE
Laser
que
par Dominique Dubois - [email protected]
Comment choisir, en effet, parmi ces procédés
de découpe qui rivalisent de performances dans
des expositions majeures comme EUROBLECH,
parfois au sein de véritables îlots de production
flexibles ? La découpe laser et par jet d’eau sont
certainement complémentaires mais il n’est pas
facile de faire son choix.
La polyvalence de certaines machines
laser de découpe vis-à-vis du soudage peut
être un repère tout comme des recours fréquents au 3D, plus évidents au laser. De même
les machines à jet d’eau mordent sur les plates-bandes du poinçonnage, de la découpe
plasma voire de l’oxycoupage. Par rapport au
poinçonnage, il y a une meilleure flexibilité et
des coûts outils inférieurs. Vis-à-vis des coupes thermiques, le fait d’obtenir des pièces
finies et aux cotes joue beaucoup en faveur du
jet d’eau. Certains équipements utilisent
d’ailleurs le jet d’eau pour guider le flux lumineux d’un laser ou ébaucher un brut, avant
finition en électroérosion (EDM) à fil. Les types
de matières ou d’applications, voire les critères
écologiques ont aussi leur importance.
La frontière
Tout le monde s’accorde à dire que les
deux technologies sont complémentaires,
dans la pratique, les utilisateurs sont souvent distincts et spécialisés dans l’une ou
l’autre technologie. La découpe laser est
beaucoup plus marquée “métallurgie” tandis
que les applications du jet d’eau sont très vastes allant de l’alimentaire à l’habillement, de
l’ameublement, aux composites, aux applications “verre” et dans les minéraux pour finir à la
découpe de tôles proprement dites. Le marché
du jet d’eau est beaucoup plus un marché de
niches et de machines spéciales, bien inférieur
en volume et en valeur à celui du laser.
L’abandon du jet d’eau par le leader du secteur, T RUMPF, a été un frein au développement du jet d’eau sur le marché. Deux stratégies commerciales restent en lice: celle de
BYSTRONIC, par exemple, qui est transversale
et assure une offre cohérente allant du laser au
pliage en passant par le poinçonnage et le jet
d’eau mais en proposant des matériels standards conçus pour la durée et la productivité
et dont ils produisent les éléments clés. À côté,
34 - Avril 2007 - TRAMETAL
?
jet d’eau,
choisir
ou
on trouvera de nombreux spécialistes qui
répondent à des applications très diverses
avec des machines où ils intègrent des équipements de provenance externe.
D’un point de vue technique, il est admis
que, pour des épaisseurs d’acier inférieures à
25 mm, ou d’inox inférieures à 18 mm et
12 mm pour l’aluminium, la découpe au laser
est plus performante. Néanmoins une zone
grise s’étend un peu en-dessous de ces épaisseurs surtout pour des petites séries. Ceci,
hors de toute considération de respect géométrique, d’état de surface ou de coût horaire
d’utilisation. Encore que, pour des métaux
réfléchissants comme les alliages légers les
titanes, ou polis, le jet d’eau travaille mieux
et est bien plus économique. La tolérance
type d’une découpe laser est de l’ordre de
0,02 à 0,15 mm à grande vitesse. Le jet d’eau
tiendra de 0,07 à 0,4 mm en tolérance, toujours à haute vitesse. L’électro-érosion à fil
varie de 0,04 mm en ébauche à 0,0025 mm en
finition. En moyenne l’électro-érosion à fil est
10 fois plus lente que la découpe jet d’eau et
réservée aux matériaux conducteurs.
Notons simplement que la méconnaissance des donneurs d’ordres ou des bureaux de
méthodes vis-à-vis du jet d’eau repose souvent sur des idées reçues anciennes et peut
interdire des gains de productivité conséquents. Comme toutes les technologies de
rupture, utiliser des produits aboutis et fiables
tout en repensant la mise en fabrication très en
amont peut s’avérer des plus rentable. Disons
simplement que les - rares et discrètes - entreprises qui ont misé sur le jet d’eau s’en portent
très bien... Des rumeurs d’amortissement
très rapide de machines de dernière génération utilisées en aéronautique concurremment avec des centres d’usinage et qui sont à
la fois plus rapides tout en économisant beaucoup de matière, se font de plus en plus insistantes.
Le point sur l’état de l’art avec
Bystronic
Une rencontre avec M. Emprin, le directeur
de zone sud Europe pour la division Waterjet
du constructeur suisse, nous a permis de glaner quelques informations précieuses.
Bystronic Laser Cutting est le numéro 2 mondial en découpe laser avec 500 machines par
FORMAGE
Fig. 1 Cette
Byjet 12030
de grande
capacité
travaille avec
deux fois
deux têtes
indépendantes
munies
chacune de
leurs
alimentations
couplées d’eau
sous pression
et d’abrasif
dont les
arrivées
latérales sont
bien visibles
ainsi que le
réservoir
tampon
supérieur.
an tandis que la
division Waterjet est le numéro 4 mondial avec
dix fois moins d’unités commercialisées et une
progression de 15% par an. La découpe de
métal par jet d’eau abrasif représentant 40%
des applications. Les choix techniques de
Bystronic sont clairs: des axes cartésiens, travail en 2D mais tête et pompe de conception
novatrices conçues et fabriquées en interne.
Les applications embarquées sur robots multiaxes ou machines 3 à 5 axes posent des problèmes de fiabilité et de maintenance selon
Bystronic qui cherche avant tout à proposer
des machines de production aptes à fonctionner en continu. Un jet d’eau à très haute
pression avec un micro-jet reste un équipement de haute technologie qui demande
une maintenance régulière et attentive
même si elle est peu onéreuse. Un régleur
formé s’en acquittera aisément mais c’est une
différence “culturelle” avec un laser de découpe, selon M. Emprin. En revanche l’expertise
Fig. 2 - La Bypump 50 APC fait partie de ces pompes à haut
rendement qui font progresser le procédé. Chez Bystronic, les
deux intensifieurs, ici bien visibles, permettent de se passer
d’accumulateurs THP grâce aussi à la régulation numérique.
De ce fait un jet très fin devient possible sans risques de
bouchages par l’abrasif.
de l’opérateur sur la découpe elle-même jouera assez peu sur la qualité finale car il y a beaucoup moins de paramètres que sur un laser de
découpe. Si la durée de vie d’une pompe
atteint 5 000 heures, les buses et
autres joints doivent être revus
toutes les 70 à 100 heures.
Rappelons que le jet
d’eau, qui est une
érosion supersonique à froid,
est plus lent que
le laser, à machines de capacités
comparables mais
qu’il est possible de
travailler avec plusieurs têtes sur une
même machine. La métallurgie
du métal est intacte après découpe au jet
d’eau, qui fonctionne aussi très bien dans
les composites et autres laminés multicouches. Le traitement des boues et un état de
surface qui peut varier en l’absence de programme d’usinage adapté sont, aussi, des
freins souvent cités. En outre, ces boues ne
sont pas toxiques et peuvent même être
rachetées car la limaille qu’elles contiennent
reste valorisable. La finition et la vitesse sont
liées et le logiciel, partagé avec les sœurs
lasers, contient 8 macros bien utiles pour des
applications exigeantes. L’état de surface est
de Ra 3,2 sur la découpe et s’il est possible de
démarrer en perçant un trou avec le jet en pleine matière, il est souvent prévu de percer un
petit trou à l’aide de la broche montée en
coaxial pour une qualité optimale (Fig.1).
Un des avantages des machines Bystronic
réside dans la finesse de leur jet, obtenu à l’aide d’un saphir de 0,28 mm, ce qui donne un jet
de 0,8 mm après la buse de sortie. Les avantages sont triples: en travaillant avec un jet
plus fin, plus près de la matière, le débit
pompe est moindre, la consommation d’abrasif aussi et surtout cette méthode donne
une meilleure géométrie sur la découpe.
Pourquoi les autres fournisseurs n’en font-ils
pas autant ? Tout simplement parce qu’avec
une buse aussi fine, l’abrasif bouchera tout à la
moindre fluctuation de pression, ce qui justifie
une pompe de haute technologie comme la By
Pump et un contrôle numérique du dosage
d’abrasif.
La pompe est capable de 3 800 bars avec
5 l/mn pour environ 45 kW consommés. Il n’y
a pas d’accumulateurs mais deux intensificateurs en parallèle alimentés en 280 bars et élevant la pression jusque 18 fois de façon indépendante. Grâce au contrôle numérique de
l’ensemble, les fluctuations sont très faibles et
l’abrasif s’écoule régulièrement. En outre la faible consommation permet de fonctionner avec
deux têtes sans être au nominal en permanence ce qui épargne le matériel. La concurrence
36 - Avril 2007 - TRAMETAL
Celle-ci se déplace à moins de deux millimètres de la surface à travailler, aussi un palpeur asservissant un axe Z de façon mécanique, permet d’éviter tout atterrissage intempestif (Fig. 3).
La découpe au jet d’eau est assez bruyante. Pour éviter les poussières d’abrasifs et
réduire ce bruit à un niveau acceptable, il est
d’usage de travailler en immergé ou semiimmergé. Il est donc nécessaire de réguler la
hauteur d’eau assez fréquemment car la
matière doit entrer et ressortir de l’eau à
chaque cycle d’autant que les boues s’accumulent au fond de la cuve avant d’être évacuées par une vis sans fin. Pour cela, Bystronic
a installé des ballast sur les côtés de sa cuve
qui peuvent être gonflés à la demande. Il va de
soi que les parois des cuves sont renforcées
afin d’éviter de les découper en même temps
que les pièces... En outre, il y a plusieurs
façons de soutenir les tôles et les squelettes
pendant le travail. Certains utilisent des
plaques de bois comme martyrs, notamment
pour les tôles fines ou les composites aéronautiques, d’autres des barres en inox ou des
grillages. Dans tous les cas, comme avec le
laser, il s’agit de consommables à récupérer
dans un bac intermédiaire. Notons que l’épaisseur économique se situe souvent vers
100 mm et que les plaques deviennent alors
très lourdes. La table alternante maison supporte ce poids et est compatible avec l’environnement agressif et humide des machines.
Si la division Waterjet a du investir dans
une pompe puis une tête de découpe spécifiques, si le vivier de clientèle du laser n’a que
peu profité au jet d’eau comme vu plus haut, la
synergie de groupe a joué, en revanche à plein
au niveau de la CNC ou des logiciels. D’une
part, il est pratique pour un opérateur de retrouver le même environnement de programmation ou de contrôle sur plusieurs machines
mais l’expérience acquise avec les lasers a
beaucoup aidé le jet d’eau. Là encore, posséder sa propre CN est un avantage au niveau
SAV et commercial face à des produits adaptés
avec plus ou moins de bonheur, sans parler
des bases PC complètement irréparables au
bout de peu d’années. Les
commerciaux de Bystronic
admettent volontiers qu’audelà des qualités des machines, le logiciel Bysoft et la CN
maison font bien souvent la
différence.
M. Emprin regrette que
les possibilités actuelles de
la découpe par jet d’eau restent ignorées des bureaux
d’études et des méthodes.
Beaucoup d’ateliers de tôlerie
utilisant un ou des lasers en
plus des poinçonneuses,
découpeuses/plieuses, etc,
n’utilisent leur jet d’eau que
comme dépannage ou technique d’appoint. Très peu ont
une charge de travail suffisante pour les faire fonctionner en continu, avec une
table alternante ou un changeur/ stockeur. En
revanche, les utilisateurs qui maîtrisent le procédé sont fidèles et s’agrandissent rapidement
avec d’autres machines, avec des charges de
commandes élevées. Le travail au jet d’eau est
désormais au point mais il s’agit encore d’une
technologie de rupture
qui réserve ses
gains à ceux qui
sont prêts à se
remettre
en
question pour
avancer
(Fig. 4).
D’autres acteurs du marché
Dernières nouvelles de LDSA
La DÉCOUPE SA, département Projet, assure
par ailleurs la représentation des produits
INGERSOLL-RAND Waterjet Cutting sur le territoire français, proposant ainsi à ses clients une
large gamme de produits haute pression et
de pompes HP avec des versions 11, 22, 37 et
75 kW à 3 800 bar. Les pompes sont disponibles en modèle standard et vendues à l’unité
pour intégration, tout comme les autres produits de la gamme.
Fig. 3 - Voici
une tête de
découpe THP
de chez
Bystronic. Ce
produit maison
est simple et
robuste mais
n’en comporte
pas moins une
microbuse en
saphir qui
produit un jet
chargé
d’abrasif d’une
grande finesse
permettant
d’en
économiser
30%.
Fig. 4 Ce genre de
ferrure en
Ta6V de
20 mm
d’épaisseur,
découpée sur
une Byjet, est
un bon
exemple de
pièce difficile,
aisée à réaliser
en découpe jet
d’eau et très
compétitive
par rapport à
une exécution
en usinage
classique.
Les intensifieurs Ingersoll-Rand sont
conçus pour procurer une fiabilité accrue en
production, en reprenant la facilité de mise en
œuvre et de maintenance qui ont fait des pompes HP Ingersoll-Rand une référence industrielle pour des applications de découpe
hydro-abrasive et jet d’eau pure.
TRAMETAL - Avril 2007 - 37
FORMAGE
classique a besoin d’au moins 60 kW pour
deux têtes (Fig. 2).
L’abrasif utilisé est du grenat ou de l’olivine
et conduit via une petite trémie tampon - alimentée par une pompe à effet venturi de chez
PIAB - située au-dessus de la tête, vers la
micro-chambre de mélange par une simple
arrivée latérale. Economiser de 30 à 35% d’abrasif à 250 euros la tonne est utile car c’est le
premier poste de coût sur ce type de machine.
L’APC ou Active Pressure Control de Bystronic
est une boucle de régulation fermée à la différence de beaucoup d’autres matériels. Notons
qu’il est possible de graver avec ce type de
machine grâce une valve pneumatique embarquée sur la tête.
FORMAGE
Fig. 5 Voici une tête
munie du DCF
de chez Flow
Waterjet qui
garantit un
espace
constant entre
la feuille
découpée et la
buse.
LDSA présente en outre un centre d’usinage par jet d’eau abrasif type L/C, avec une
nouvelle génération de table compacte de chez
Ingersoll Rand. Ce nouvel équipement qui
repose sur un ensemble homogène et convivial
utilisant toutes les techniques de pointe
connues à ce jour, est piloté par une CNC FANUC
de dernière génération. Avec l’introduction de
la pompe haute pression Streamline SL-IV PLUS,
Ingersoll-Rand impose de nouvelles frontières
dans le domaine de la haute pression pour la
technique de découpe au jet d’eau. La pression de service de 4 150 bars, la technique
d’étanchéité optimisée et la réduction du
niveau de bruit sont des avantages importants pour ce centre de découpe.
FLOW WATERJET
Il s’agit du seul vrai concurrent de Bystronic
qui intègre ses propres produits. Comme
Bystronic, il vend ses éléments à l’unité si
besoin est mais fonctionne aussi en partena-
riat avec différents constructeurs de machines
hybrides, comme SODICK par exemple. Le leader mondial du secteur est basé dans l’état de
Washington et produit des machines de
découpe au jet d’eau depuis 1971. Comme
chez ses confrères, les applications sont extrêmement variées dans tous les matériaux en 2D
ou 3D. Les technologies Dynamic Waterjet et
Active Tolerance Control permettent de lutter
contre les défauts géométriques et de garder
une vitesse élevée y compris dans les travaux
de précision. Chez Flow Waterjet, la cinématique de la tête de découpe maison est
sophistiquée car asservie en Z et en
dépouille avec pilotage du retard de jet. Tout
comme chez son concurrent de Niederonz, le
constructeur américain propose des machines
cartésiennes équipées d’une ou plusieurs
têtes maison et pilotées par une CN 840D de
chez SIEMENS avec un logiciel propriétaire Flow
Master en version 6.0. En revanche Flow
Waterjet propose aussi des machines cinq
axes à portiques et surtout à portiques
cantilever comme les poinconneuses. Citons
aussi en cinq axes le modèle Dragon qui
découpe en 3D des pièces allant jusque 2,5 x
1,5 m et 600 mm en hauteur. En options,
notons un laser de pointage et une broche de
perçage pour les trous d’attaque. Les pompes
Flow atteignent 4 150 bars avec des multiplicateurs et un accumulateur de grand volume. La
puissance absorbée va de 19 à 150 kW pour
des débits de 1,9 à 12,7 l/mn. Autre gamme
très performante, celle des pompes à
entraînement direct HYPLEX qui génèrent
4,7 l/mn à 3 800 bars pour 37 kW absorbés.
Dernière innovation, le DCF ou Dynamic
Contour Follower, système embarqué sur les
têtes de la marque et qui assure une distance
constante entre le nez de buse et la surface
travaillée même avec la tête inclinée ou des
surfaces irrégulières. (Fig 5& 6)
RESATO
Fig. 6 Autre exemple
de machine
cartésienne 2D
chez Flow
Waterjet,
travaillant
avec deux
têtes en
simultané
et de façon
indépendante.
38 - Avril 2007 - TRAMETAL
La firme hollandaise RESATO est un des
rares constructeurs à produire ses tables,
pompes et têtes de découpe, avec des
records de composants pour 14 000 bars ou
une pompe délivrant 8 000 bars livrée à l’université de Delft. Les pompes PJE de la marque
ont une pression de service de 4 000 bars
régulée par un accumulateur avec, par exemple 5,5 l/mn sous 4000 bars pour 55 kW absorbés. Notons que le montage d’un seul intensifieur oblige à recourir à un accumulateur pour
lisser les variations de pression. Pour rejoindre
le montage duo de Bystronic, il est possible de
monter un deuxième intensifieur en option. La
série de machines cartésiennes Powerjet RCM
de la marque est pilotée par une CN maison et
le logiciel Resato Powercam Software. Les
têtes VJW reçoivent un capteur d’asservissement de la hauteur
FORMAGE
Fig. 7 Cet exemple
d’une découpe
relativement
profonde
montre bien
les effets du
retard de jet et
les possibilités
de correction
avec le
Dynamic
Waterjet de
Flow.
BELOTTI
Depuis plus de vingt ans, le constructeur
italien de machines spéciales propose des
machines de découpe par jet d’eau de 3 à 5
axes. La série CPT se compose de machines
cartésiennes pouvant recevoir de une à plusieurs têtes classiques avec compensation du
retard de jet ou bien une tête bi-orientable, ce
qui confère cinq axes à ces machines, l’axe Z
étant réglable. Les CN sont des Fanuc serie Oi
ou des OSAI série 10. Les pompes maison vont
de 30 à 120 HP et des pompes Ingersoll Rand
sont choisies, en cas de recours à des pressions de service de 4 150 bars. Le constructeur
italien propose aussi des machines de plus
petite capacité et très compactes, tous les
périphériques étant intégrés, la série PA, soit
1,3 x 1 m. Sur la gamme CPT, il est possible de
monter une électro-broche de fraisage en
coaxial, suffisante pour exécuter de petits travaux de parachèvement ou de gravure (Fig. 8).
Des machines combinées
SYNOVA
En fait le concept du laser Microjet développé par le fabricant helvétique SYNOVA, date
déjà de près de onze ans et il s’agit d’une
machine de découpe laser pour applications fines dont la haute précision est obtenue par un jet d’eau coaxial qui guide le
faisceau de lumière. Alors qu’un faisceau
laser est focalisé à une distance précise et
Fig. 8 Une tête
Belotti
cinq axes.
Remarquer la
spire THP qui
permet une
rotation de la
tête et le
pointeur laser
sur la droite.
40 - Avril 2007 - TRAMETAL
diverge largement au-delà, un jet d’eau reste
stable géométriquement à plus de 1 000 fois
son diamètre de sortie de buse. La zone de
travail est bien plus importante en Z - plus de
cent fois en fait - avec une pression d’eau ne
dépassant pas 500 bars. Autre avantage du
procédé les particules détachées de la matière
à découper sont immédiatement refroidies par
le jet d’eau et évacuées. l’effet de redéposition
des particules métalliques vaporisées par le
laser est donc très réduit ce qui améliore non
seulement l’état de surface mais aussi la qualité géométrique de la découpe. Sur les lasers
conventionnels, on cherche à avoir le même
effet avec un gaz additionnel mais il est difficile
d’appliquer de hautes pressions sur des pièces fines et les résultats sont inégaux, surtout,
l’efficacité n’est pas comparable, sans parler
du coût d’utilisation. Une solution pour éviter
l’effet de zone de fusion et de déformation du
métal découpé par un faisceau laser est d’utiliser un laser pulsé et de descendre en longueur
d’onde afin d’entrer dans des zones de photoablation sans effet d’échauffement notable. En
revanche, c’est une solution coûteuse et les
avances de travail sont faibles. Avec le système microjet, il est possible de travailler bien
plus vite avec des taux de pulsation élevés et
sans voir apparaître d’effets thermiques
fâcheux sur les parois découpées. L’industrie
des semi conducteurs, du bio-médical, des
nanos et micro-applications, utilise de plus en
plus ce procédé (Fig. 9 & 10 & 11).
Prestations de service
La société W.P.S. France est en mesure de
proposer ses services en fourniture de
consommables et pièces détachées, dans le
domaine de la découpe par jet d’eau très
haute pression.
●
Abrasifs pour installations de découpe
par jet d’eau, de sablage et décapage, que ce
soit du grenat, olivine…, en granulométries
diverses: 80, 120 ou 200 mesh, par livraison de
1 tonne à 24 tonnes. Livraison directe partout
en France. Autres produits sur demande.
●
Consommables pour têtes de découpe : buses en saphir, rubis ou diamant, pièces
Fig. 10 - Sur ce dessin la
“coupe” de la matière par un
faisceau laser classique est
figurée avec les effets
thermiques et les particules
en fusion projetées
(document Synova).
génériques de remplacement, vannes,
tuyauterie Très Haute Pression (THP),
raccords THP…Commande unitaire ou
par lots (remise quantitative).
●
Pièces détachées: intensifieurs
THP, tables 2D et 3D de découpe, spires
THP…Un stock permanent permet de
limiter les délais d’approvisionnement.
Le monde de la decoupe sans
contact n’est pas limité aux lasers, de
plus en plus puissants ou de mieux en
mieux guidés par fibres et focalisés. Des
procédés complémentaires par le haut
comme le jet d’eau existent ou par le
bas comme le guidage par jet d’eau et
sont riches de gisements de productivité
encore largement inexploités. Là encore
il convient de manifester de la curiosité
et d’accepter de penser autrement, parfois dès la conception, pour pouvoir en
tirer parti. Ce ne sont pas les expositions
spécialisées qui vont manquer encore
cette année comme BLECH à Stuttgart,
TOLEXPO en France ou tout simplement
l’EMO de Hanovre. Tous renseignements
sur www.trametal.com
❑
Fig. 11 - La découpe au laser
Microjet chauffe beaucoup moins la
pièce et les particules froides sont
entraînées par le flux d’eau ou
restent dans la couche d’eau sur la
pièce. Remarquons que, dans tous
les cas, il y a un phénomène de
retard de coupe par rapport à l’axe
du faisceau ou du jet.
TRAMETAL - Avril 2007 - 41
FORMAGE
Fig. 9 - Ce schéma montre
bien la différence de nature
entre un faisceau laser
focalisé et un faisceau
guidé par jet d’eau
(document Synova)