Sheet Metal Laser Cutting: Fundamentals

Subtractive manufacturing techniques are commonly used for part fabrication in various industries, with découpe laser de tôle being a key method. This precise and accurate process focuses a laser beam on the material surface to burn, vaporize, or melt it, producing the desired outcomes. This guide provides all the essential information you need before incorporating laser cutting into your next manufacturing project.

What’s Sheet Metal Laser Cutting?

Découpe laser de tôles is one of the primary industrial manufacturing techniques. As such, sheet metal laser cutting appears to be one of the go-to procedures. Laser cutting fabrication uses a high-power beam of light (laser) to cut out flat and thin sheets of metals. The process is directed by optics and computer numerical control (CNC) technology, which accounts for the high precision of laser cut parts.

History of Sheet Metal Laser Cutting

La technologie de découpe laser existe depuis plus de 60 ans, sa première tentative de découpe de tôles métalliques remontant à 1960.

En 1964, CO₂ Les lasers étaient déjà utilisés pour la fabrication de pièces complexes, comme le soudage des ressorts de montre. L'automatisation et la haute précision de la découpe laser, supérieures à celles des autres procédés de découpe, ont largement contribué à son adoption pour la fabrication de précision et la production en grande série.

Les lasers à fibre ont été produits pour la première fois dans les années 60, mais n'ont été commercialisés qu'à la fin des années 80. Les années 90 sont considérées comme l'âge d'or de la technologie laser, car elles ont vu l'apparition de nombreux lasers de forte puissance, tels que les lasers à semi-conducteurs, qui ont considérablement amélioré l'efficacité et la productivité. Au début des années 2000, la découpe laser était devenue une technique de fabrication largement répandue et utilisée par plusieurs secteurs, comme l'automobile et l'aérospatiale.

Types de lasers pour la découpe de tôles

Il existe trois types de lasers utilisés pour la découpe de matériaux dans la production industrielle. Chaque laser possède des caractéristiques uniques qui le distinguent des autres. Vous trouverez ci-dessous un résumé complet des trois types de découpeurs laser.

Lasers à fibre

Fiber laser cutting machines are some of the most potent precision cutting devices. They belong to the solid-state lasers using seed lasers to amplify the beam with special glass fibers. They are effective for cutting pieces of metals, alloys, and non-metals like glass, plastics, and even wood. Other than simple cutting operations, they are suitable for metal engraving and annealing.

Fiber laser kerfs are more extensive than others; this may account for their high power. They possess a long service life of not less than 25,000 hours and thus require less maintenance. They produce some of the strongest and most stable beams. However, they are best suited for materials with less than 20 mm thickness.

CO₂Lasers

CO₂ lasers produce the beam of light by running electricity through a tube filled with a mixture of gases. The gas mixture contains mainly carbon dioxide and inert gases – helium and nitrogen, the commonest forms for lasers.

However, they are less potent compared to fiber lasers. CO2 laser machines can only cut non-metals like wood, acrylic, and plastics. In some cases, they may also function for sheet metal laser cutting, especially thin sheets of aluminum and some other non-ferrous metals.

Lasers à cristal

Les découpeuses laser à cristal existent sous deux formes : Nd:YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme) et Me:YVO (orthovanadate d'yttrium dopé au néodyme, YVO4). Ces deux types de découpeuses sont extrêmement puissantes. Cependant, elles sont relativement coûteuses et leur durée de vie est environ deux fois inférieure à celle des lasers à fibre (8 000 à 15 000 heures). Elles conviennent à la découpe des métaux, revêtus ou non, des non-métaux et des plastiques, et même de la céramique dans certaines conditions.

Three Sheet Metal Laser Cutting Processes

Laser cutting sheet metal is the thermal process that involves using a laser beam to cut out pieces off a metal sheet. Primarily, there are three methods of cutting sheet metal.

Découpe par fusion laser

La découpe par fusion utilise un gaz de coupe inerte, souvent de l'azote ou de l'argon, pour expulser le matériau en fusion de la torche. L'utilisation de ce gaz inerte empêche l'oxydation du tranchant sans altérer le procédé. Ce procédé est particulièrement adapté aux tôles plates et fines, ainsi qu'aux applications exigeant un aspect impeccable et nécessitant peu de finitions.

Découpe au laser par flamme

Flame cutting uses oxygen gas to expel the molten material. It causes an exothermic reaction which accounts for an increase in the overall energy input of the process. The process is ideal for cutting mild steel, among other types of sheet metals and fusible materials like ceramics.

Découpe par sublimation laser

La découpe par sublimation utilise un laser pour vaporiser certaines parties d'un matériau, limitant ainsi sa fusion. À l'instar de la découpe par fusion, elle emploie des gaz inertes (azote, hélium ou argon) qui garantissent des bords de coupe exempts d'oxydants. Bien que lente, cette technique permet d'obtenir des bords d'excellente qualité pour une découpe de haute précision.

Advantages of Découpe laser de tôle

Voici cinq avantages essentiels de cette technique de fabrication.

Découpes de haute précision

Le faisceau laser permet de découper les métaux avec une précision extrême. La précision avec laquelle le laser fond et vaporise les matériaux est incomparable à celle de nombreuses autres méthodes de découpe. Alors que certains outils de découpe à l'emporte-pièce présentent une tolérance de 1 à 3 mm, les découpeuses laser atteignent une précision de 0,003 mm.

Utilisation élevée des feuilles

Les découpeuses laser permettent d'utiliser une grande partie des matériaux de fabrication. Cette technologie minimise les pertes, voire les élimine complètement : la machine maximise le nombre de pièces utilisables à partir de chaque tôle. Ainsi, vous n'avez plus à vous soucier des surplus de matériaux ; vous pouvez acheter la quantité exacte en étant certain d'en avoir assez.

Polyvalence de coupe extrême

Les opérations de découpe laser sont extrêmement flexibles et polyvalentes. Une seule machine de découpe laser convient parfaitement à différentes opérations, qu'il s'agisse de découpes simples, de découpes complexes avec des détails précis, de marquages, de perçages ou même de gravures. Par conséquent, les fabricants n'ont pas besoin de changer d'outillage fréquemment pendant le processus.

Faible utilisation de l'énergie

Contrairement à d'autres machines de découpe, les découpeuses laser ne nécessitent pas le déplacement de différentes pièces. Cela leur permet de découper efficacement des pièces de matériau en consommant peu d'énergie. Alors qu'une découpeuse laser peut fonctionner avec 10 kW, la plupart des autres procédés consomment jusqu'à cinq fois plus d'énergie.

Peu ou pas de dégâts

Vous pensez peut-être que l'exposition à la chaleur lors de la découpe laser peut entraîner des déformations, voire des dommages irréversibles. Rassurez-vous, c'est faux. Les zones affectées par la chaleur lors de la découpe laser sont minimes et ne présentent aucun risque pour la précision des caractéristiques ou des composants après fabrication.

Disadvantages of Sheet Metal Laser Cutting

Despite its numerous benefits, laser cutting sheet metal has a few shortcomings. Let’s discuss them.

Besoin d'un opérateur spécialisé

To best utilize your laser cutters, you might need to employ a professional to operate the machine for part’s fabrication. An expert, for example, will quickly detect a fault or an improper setup that may affect the production processes or even the machine’s integrity.

Limites relatives à l'épaisseur du métal

Bien que la découpe laser soit performante avec une large gamme de matériaux, y compris les tôles métalliques, il est conseillé d'utiliser d'autres procédés de découpe pour les métaux épais. Les découpeuses laser classiques sont idéales pour découper des tôles d'aluminium d'une épaisseur maximale de 15 mm et d'acier de 6 mm.

Gaz nocifs

Lors de la découpe de plastique, les machines de découpe laser, en fondant et en vaporisant les matériaux, dégagent d'importantes quantités de fumées nocives. Il est donc essentiel de les utiliser dans une pièce bien ventilée ou un environnement de travail sécurisé.

Investissement initial élevé

Le coût d'une découpeuse laser haut de gamme est élevé. Une découpeuse laser standard coûte environ $3000, soit deux fois plus cher qu'une découpeuse au jet d'eau ou au plasma. Pour proposer des services de découpe laser à titre professionnel, un investissement initial important est nécessaire.

Power Tools for Metal Cutting

When efficiency and power are needed, electric and pneumatic tools come into play. These tools can handle larger projects and tougher materials with ease.

Angle Grinders

Angle grinders are versatile tools that can cut, grind, and polish various metals. With the right attachment, they’re capable of cutting through rebar, fencing, and even steel plates.

Angle grinders are available in various sizes, including portable cordless models ideal for outdoor projects.

When using an angle grinder for cutting, always use a metal cutoff wheel and let the tool’s weight do most of the work. Avoid applying extra pressure, which can cause the wheel to bind or break.

Circular Saws

While circular saws are traditionally used for woodworking, they can also be used for metal-cutting tasks with the right blade. They’re particularly useful for cutting sheet metal, roofing, and corrugated metal. Here’s how to use a circular saw for metal cutting:

Install a metal-cutting blade with the appropriate tooth count for your material.
Mark your cutting line clearly.
Secure the metal to prevent vibration and ensure a straight cut.
Cut slowly and steadily, allowing the blade to do the work without forcing it.

Circular saws are excellent for making long, straight cuts in metal roofing or siding. They can also handle stacked sheets, saving time on repetitive cuts.

Reciprocating Saws

Reciprocating saws, often called sawzalls, are the Swiss Army knives of power tools. They can cut through various materials, including metal pipes, sheets, and profiles. Different blades are available for various metal types and thicknesses, and these saws have enough power to handle thick metal stock that might be challenging for other handheld tools.

When using a reciprocating saw, make sure the material is firmly clamped and use a blade appropriate for the metal’s thickness. Let the saw do the work, applying only moderate pressure to guide it through the cut.

Specialized Metal Cutting Equipment

For professional-grade cutting or specialized applications, more advanced tools are often necessary. These tools offer precision, power, and efficiency for larger or more complex metal-cutting tasks.

Plasma Cutters: High-Tech Precision

Plasma cutters use a high-temperature plasma arc to slice through conductive metals with precision. They’re ideal for cutting sheet metal, plate steel, and other conductive materials. Benefits of plasma cutters include the following:

Vitesse: Can cut through thick metal much faster than traditional methods
Précision: Capable of making intricate cuts with minimal material waste
Versatilité: Can cut a wide range of metal thicknesses and types

While plasma cutters are expensive, they’re a great addition to metalworking shops and for fabricators who frequently work with thick or complex metal pieces.

Oxy-Acetylene Torches: Heavy-Duty Cutting

Oxy-acetylene torches are powerful tools that use a mixture of oxygen and acetylene gas to create a high-temperature flame capable of cutting through thick metal. They’re particularly useful for the following:

Cutting thick steel plates and structural steel
Demolition work where precision isn’t critical
Situations where electrical power isn’t available

Using an oxy-acetylene torch requires skill and practice. If you use this tool, wear appropriate protective gear and have proper ventilation.

Cold Saws: Clean Cuts for Professionals

Cold saws are precision cutting tools that use a circular blade and coolant to make clean, accurate cuts in metal without generating excessive heat. They offer several advantages, including the following:

Précision: Produce clean cuts with minimal burring
Efficacité: The coolant system allows for continuous operation without overheating
Longévité: Blades last longer due to reduced heat and friction

While more expensive than some other options, cold saws are invaluable for metalworking professionals who regularly complete high-precision cuts.

Choosing the Right Tool for Your Project

When choosing a metal cutting tool, consider these factors:

Metal type and thickness: Softer metals, like aluminum, require different tools than hardened steel.
Cut precision: Some projects require clean, precise cuts, while others allow rougher edges.
Project scale: Large-scale projects may justify investing in more powerful, efficient tools.
Portabilité: Consider whether you need a tool that can be easily moved or used in various locations.
Budget: Balance the cost of the tool against the frequency and importance of your metal-cutting needs.

Conseils de conception pour les pièces découpées au laser

For effective and efficient use of the laser cutting services for your parts. You need to adhere to the below sets of tips for your laser cutting product design.

Vos informations ne peuvent pas être plus petites que l'épaisseur du métal.

L'épaisseur est un facteur important à prendre en compte lors des opérations de découpe laser. Elle est directement liée à la puissance du laser. Par conséquent, plus l'épaisseur est importante, moins le laser peut pénétrer et découper le matériau. Cependant, augmenter la puissance du laser peut parfois accroître les chances de réussir la découpe.

Souvenez-vous de la brèche

La conception du laser met en évidence le phénomène de « kerf » (épaisseur de matière évaporée lors de la découpe au laser). Ce phénomène n'est pas propre à la découpe laser ; il est également présent dans d'autres procédés d'usinage soustractif. La découpe laser avec « kerf » est due à l'épaisseur du faisceau laser. Il est donc essentiel d'en tenir compte dès la phase de conception.

Choisir le bon matériau

The right material is the most important thing to note before a laser cutting operation. Choosing a material depends on the properties you want the end product to have. For example, materials have different properties in terms of rigidity, translucency, and flexibility. At Rapid Direct, you will have access to different sheet metal laser cutting, plastics, paper, etc.

Les espacements sont importants

L'espacement est crucial en découpe laser pour minimiser les erreurs et obtenir un résultat optimal. L'espacement minimal doit être égal à l'épaisseur du matériau. Par exemple, pour la découpe laser de tôle, si l'épaisseur est de 2 mm, l'espacement entre deux passes sera de 2 mm. Ce paramètre est également important pour la découpe laser de pièces de tôle de formes variées.

Convertissez votre texte en points d'ancrage et en courbes

Toutes les opérations laser ne nécessitent pas la découpe de texte. Cependant, si vous devez intégrer du texte, espacez les lettres et écrivez-les en gros caractères. Cela garantit une opération plus fluide et un résultat optimal. Si les lettres sont trop rapprochées, elles risquent de se chevaucher et de rendre l'inscription illisible.

Techniques for Cutting Different Metal Forms

Different metal forms require specific cutting techniques to achieve the best results. Here are some tips for common metal-cutting tasks.

Cutting Sheet Metal

Cutting sheet metal requires precision and the right approach. Take the following steps when cutting sheet metal:

Mark your cutting line clearly with a permanent marker or scribe.
For straight cuts, use a straight edge as a guide.
When using power tools, start the cut at the edge of the sheet and maintain a steady pace.

For intricate cuts, consider using a jigsaw with a metal-cutting blade or a plasma cutter for thicker sheets. Remember to wear gloves to protect your hands from sharp edges, and always support the sheet metal properly to prevent bending or warping during cutting.

Cutting Pipes and Tubes

Cutting pipes and tubes requires a different approach than sheet metal.

Mark the entire circumference of the pipe before cutting to ensure a straight cut.
Use a vise or pipe clamp to secure the pipe and prevent vibration during cutting.
Use a pipe cutter for clean, precise cuts on small-diameter pipes and a reciprocating or band saw for larger pipes.

After cutting, use a deburring tool or file to smooth the cut edge and remove any internal burrs that could restrict flow in plumbing applications.

Cutting Metal Roofing

Cutting metal roofing requires care to avoid damaging the material or creating unsafe edges. Here are the steps you should take when cutting metal roofing:

Measure and mark your cutting line on the underside of the roofing panel.
Use tin snips for small cuts or corners and a circular saw with a metal-cutting blade for long, straight cuts.
Cut with the painted side down to minimize damage to the finish.
Use steam cleaning to remove any metal shavings or debris after cutting to prevent rust.

Always wear gloves and eye protection when cutting metal roofing, as the edges can be extremely sharp.

Should I Invest in a Laser Cutting Machine or Choose a Service

From simple equipment fabrications to large companies – like the aerospace and automotive industries – laser cutting services are crucial for various manufacturing operations. The technique is an effective and highly efficient procedure suitable for a vast array of materials.

However, the smart choice for small-scale manufacturing companies is to choose a service rather than investing in the machine, as it is an excellent way to save cost yet offer quality to customers. However, if the funds are available, investing in laser cutting machines could be highly profitable because of the numerous advantages that come with the device.

Anyways, the choice is solely dependent on manufacturers. But should you choose to hire a service, contact Krrass – an expert in providing sheet metal laser cutting services.

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Alternatives à la découpe laser

Vous ne souhaitez peut-être pas utiliser la découpe laser et vous ne savez pas comment découper des formes dans de la tôle ; vous trouverez ci-dessous d’autres options haut de gamme pour vos besoins de fabrication.

EDM

EDM, Electrical Discharge Machining, like laser cutting, uses thermal energy to remove pieces of material. It uses electrical discharges (sparks) to cut out the desired shape from a material. Compared to laser cutting, EDM produces a better surface finish with a less heat-affected zone. Also, it is suitable for cutting hardened pieces of material.

Fraisage CNC

Le fraisage CNC consiste à utiliser des fraises rotatives à grande vitesse pour façonner des matériaux. Les opérations de fraisage sont performantes sur les métaux, les alliages et les non-métaux. À l'instar de la découpe laser, il s'agit d'un procédé de fabrication soustractif de haute précision. La principale différence entre les deux procédés réside dans le mode de coupe : le fraisage utilise des outils de coupe rotatifs pour sculpter ou façonner des formes, tandis que la découpe laser utilise des faisceaux lumineux, la fusion laser ou la gravure par combustion pour obtenir la forme souhaitée.

Découpe au jet d'eau

La découpe au jet d'eau est une technique de fabrication qui consiste à utiliser de l'eau, ou un mélange d'eau et de substances abrasives, sous haute pression pour découper une pièce de matériau.

Below is a comparison between water jet cutting and laser cutting.

Les découpeuses laser peuvent graver des chiffres ou des marques, tandis que la découpe au jet d'eau ne permet que la découpe.
Les deux méthodes conviennent à la découpe d'une large gamme de matériaux. Cependant, les découpeuses à jet d'eau ne peuvent pas découper des matériaux plus épais que les découpeuses laser, jusqu'à 50 mm.
La découpe laser offre de meilleurs niveaux de tolérance et une plus grande précision des détails, ce qui en fait le meilleur choix pour les géométries complexes.

Perforation

Le poinçonnage utilise une presse à poinçonner pour découper la forme souhaitée dans une pièce de matériau. Comme d'autres opérations CNC, le poinçonnage est une technique de fabrication de pièces de haute précision, adaptée à une vaste gamme de matériaux. Cependant, il n'est pas idéal pour la fabrication de composants aux géométries complexes.

Conclusion

Laser cutting is a technology used in rapid prototyping for cutting materials. This article introduced the operation, its history, types, and other things you might know. We believe that you’ve learned one or more things about laser cutting. However, you can trust us at Krrass for the best laser cutting services.