La découpe laser

La découpe laser est une technique de fabrication qui peut vous faire gagner beaucoup de temps et de précision lors de la fabrication d'objets par les utilisateurs.

On peut définir ces quelques points forts :

   - Rapidité de fabrication de pièces 2D

   - Précison de la fabrication

   - Possibilité de simuler l'assemblages par des logiciels de CAO

   - Sécurité : peu ou pas d'intervention physique de l'utlisateurs lors de la fabrication de l'objet -

   - Pas ou peu de retouches necessaires après la fabrication

Cependant il existe quelques points qui peuvent être négatifs :

   - Formation (courte) néccessaire (principe et logiciels).

   - Cout du matériel (découpe laser + Chiller +Extraction + ordinateur/logiciel dédié

   - Prévoir les extraction/filtrages des fumées résultant des découpes/gravures.

Vous trouverz ci dessous un lien vers un article de  Edutechwiki.fr qui vous en dira plus !

https://edutechwiki.unige.ch/fr/EduTech_Wiki:Livres/D%C3%A9coupe_laser_dans_l%27%C3%A9ducation

Vous y trouverez par exemple ce petit guide de réalisation du Puzzle 3D comme deguisement pour un jeune enfant => https://www.sparkfun.com/news/1621 

La découpe laser au collège

Dans cet article, nous allons visiter les différentes technologies désormais accessibles et considérablement abordables au niveau de la découpe laser.

Nous nous concentrerons sur son utilisation dans une classe de technologie au collège et lycée, voire même dans un fablab.

Introduction à la découpe laser

Le principe du laser 

C’est Albert Einstein qui a établi le principe du LASER mais c’est Alfred KASTLER, un français, qui fut le premier à résoudre le problème du pompage optique (multiplication des photons) récompensé par un prix Nobel en 1966. Le premier laser était un laser à rubis émettant une lumière rouge  (694,3 nanomètres de longueur d’onde).

LASER est la contraction de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement) dont le principe est résumé ci dessous :

La lumière émise est monochromatique (une longueur d’onde), directive (faisceau rectiligne), cohérente (ce sont des photons identiques) et peut transmettre de l'énergie

Grace a ces caractéristiques, il est possible de vaporiser des matériaux compatibles avec la longueur d’onde du LASER (Découpe et/ou gravure)

En gravure ou découpe laser, on utilise principalement deux technologies: les lasers à diode et les lasers CO₂.

Rappel sur la lumière

La Lumière est une onde électromagnétique dont les principales caractéristiques sont la longueur d’onde et son intensité.

La lumière visible se situe entre 400 nm (bleu) et 700 nm (rouge)

400 nm = 400 nanomètre = 0.4 x 10^-6 m

Le spectre électromagnétique

Les lasers à CO₂

Ici le principe du laser est réalisé grâce à des tubes contenant un gaz qui permettent de réaliser l'amplification lumineuse (le pompage optique).

La longueur d’onde du laser a CO₂ est d’environ 10 600 mm. Elle est idéale pour les matériaux organiques (bois, acrylic, etc.. ) mais pas pour le métal qui aura tendance à réfléchir le laser.

Le faisceau laser est donc fabriqué dans un tube et est ensuite acheminé vers la tête de gravure ou il est concentré et orienté vers la cible grâce à un jeu de miroir semi transparent et d'un concentrateur en fin de course.

Cela peut être gênant (plus le trajet est long, moins le laser est puissant) lors de grande surfaces.

Les lasers à diode (ou a fibres)

Les lasers à diodes sont souvent comparés aux lumières LED. Les photons sont éjectés par l’utilisation d’électricité pour déclencher des électrons dans une jonction négative/positive. Avant l’impact avec le matériau, le faisceau focalise les photons à travers la lentille. Les supermarchés, par exemple, utilisent des lasers à diodes pour scanner les codes-barres à la caisse. 

Les lasers à diodes à des fins de gravure ou de découpe sont plus puissants que les lasers du marché (comme ceux utilisés pour les lecteurs Blue Ray) et doivent être manipulés avec prudence (longueur d’onde de 564 nm,  de couleur bleu donc et compatible avec les métaux)

Toutefois la longueur d’onde du LASER fabriquée par cette technologie n'est pas compatible avec celle de l'absorption de l'acrylique, rendant la découpe/gravure difficile voir impossible (il existe des modules laser 1064nm mais pas du même niveaux de puissance).

Cette technologie est en plein essor et les puissances disponibles augmentent.

Cependant, vérifiez bien leur compatibilité avec les normes de votre pays (il existe beaucoup de laser à diode de type  “ouverte”, donc incompatibles avec la législation européenne et dangereux dans un cadre scolaire).

Comme le laser est directement fabriqué au niveau de la tête de gravure, il n’y a pas les mêmes problèmes qu’avec les lasers à CO2 lors de grandes surfaces de travail.

Les matériaux

Le bois est l’un des matériaux idéal par la diversité de ses types mais aussi de taille et d'épaisseur (contreplaqué, bois massif, pin, bouleau, etc) permettant une multitude de constructions et créations.

Le carton/papier et plus spécialement les cartons d’emballage recyclé (et oui on peut leur donner troisième vie ) sont aussi une bonne alternative Le carton est un matériau assez robuste et facilement travaillable (assemblage colle à papier, post découpe au ciseau ou cutter. peinture, etc,,)

Le cuir

Il est possible de découper et de graver sur du cuir, permettant la réalisation de pièces de maroquinerie. Attention,bien que ventilé, l’odeur est assez forte !

Les plastiques

ATTENTION !

Ne jamais découper des matériaux tel que

• ABS
• PVC
• fibre de carbone
• Polycarbonate
• HDPE (polyéthylène à haute densité) 

Ses matériaux risquent de créer des substances corrosives pour le matériel et néfastes pour la santé.

Par contre :

• Acrylic
• Fluoropolymers
• Delrin
• Mylar
• Polyimide
• Polyester
• Polystyrène
• Polyuréthane
• Polymethylmethacrylate
• PET

............................. sont compatibles avec la découpe/gravure laser

Une machine de découpe gravure laser dégage des fumées quel que soit le matériau utilisé

Par conséquent, une extraction est toujours nécessaire : a minima un trou dans le mur pour rejeter les fumées vers l’extérieur à l’aide d’un tuyau (évacuation normalement vers le toît pour être aux normes), soit par le biais d’un bloc de filtration. Et même dans ce dernier cas, pour bien faire il faudrait prévoir un rejet à l’extérieur, car il peut rester des odeurs, particulièrement quand les filtres n'ont pas été remplacés à temps.

Attention, une hotte aspirante au-dessus de la machine n’est pas suffisante.

Retour d'expériences

En ayant un regard d’utilisateur de ces deux technologies je peux résumer les avantages et inconvénients dans un tableau. Il n'est pas exhaustif mais correspond a mon experience.

Quels logiciels utilisés pour la gravure découpe laser

Une machine laser a besoin de fichiers vectoriels pour démarrer le processus de gravure laser. 

En fonction du logiciel utilisé pour contrôler la machine, il existe plusieurs format de fichier vectoriel utilisables

Les principaux extensions de fichiers correspondant à des fichiers vectoriels sont 

• SVG
• DXF
• PDF
• AI

De plus, il est fréquent de trouver sur les logiciels machines des options pour importer des fichiers matriciels (JPG ou PNG voir BMP) que la machine transformera pour la gravure ou la découpe.

A partir du fichier, la machine sait où pointer le laser et quelle image elle doit recréer en gravure. Il existe de nombreux logiciels pour créer un tel fichier. Nous nous concentrerons ici sur sept logiciels majeurs :

Inkscape

Commençons par le logiciel Inkscape. Ce logiciel open source est gratuit et offre de nombreuses options différentes dans le processus de conception. Peu importe si vous souhaitez créer un fichier à partir de zéro ou l’utiliser pour réparer ou modifier un fichier existant. Il est excellent pour les débutants car il est convivial mais offre toujours d’excellents outils de conception. Ses nombreuses façons de communiquer avec d’autres utilisateurs offrent un espace idéal pour poser des questions et améliorer le processus d’apprentissage. Inkscape peut être utilisé sur les distributions Mac OS X, Windows ainsi que Linux.

Adobe Illustrator

Adobe Illustrator n’est pas connu pour être un logiciel de gravure laser en soi. Cependant, il s’agit d’un logiciel de conception graphique qui permet également de créer des fichiers pour la gravure laser. Comparé à Inkscape, ce logiciel n’est pas gratuit. Vous avez la possibilité de commencer un essai gratuit de 7 jours après quoi le logiciel coûte 23,79 € par mois. Même si Illustrator fonctionne également parfaitement tout seul, vous avez la possibilité de prendre un forfait auprès d’Adobe, puis d’utiliser également d’autres logiciels, comme InDesign ou Photoshop. Adobe Illustrator fonctionne avec les formats de fichiers AI, PDF, DWG, SVG, DXF et EPS. Vous pouvez utiliser le logiciel en tant qu’utilisateur Mac ainsi qu’avec un ordinateur Microsoft. Si vous possédez un Ipad, vous pouvez bénéficier d’une version particulière pour l’Ipad et créer vos designs avec le crayon sur la tablette.

LightBurn

Un autre logiciel que vous pouvez utiliser pour créer un fichier pour la gravure au laser est LightBurn. Ce logiciel est entièrement conçu pour la création de fichiers de gravure laser. Il peut fonctionner avec des formats d’image et des graphiques vectoriels tels que PDF, AI, SVG, DXF, PLT, PNG, GIF, JPG et BMP. Avec l’éditeur LightBurn, vous pouvez créer de nouvelles formes vectorielles et les modifier ou les organiser. Il vous permet également d’envoyer le fichier directement à la machine laser. Pour s’assurer que l’outil est bien adapté, LightBurn propose un essai de 30 jours avant qu’il ne soit nécessaire d’acheter une licence. LightBurn peut être utilisé sur Mac IOS, Windows et Linux.

DraftSight

DraftSight est un logiciel de découpe laser 2D axé sur les brouillons de dessins vectoriels 2D détaillés. Il a une caractéristique unique qui transforme les PNG ou JPEG en lignes vectorielles et en angles. DraftSight offre un essai gratuit de 30 jours, et après cela, il existe différents niveaux de prix – DraftSight Professional est de 200 $ par an et DraftSight Premium est de 499 $ par an. En raison de son prix plus élevé, DraftSight s’adresse plutôt aux experts. Pour utiliser DraftSight, vous avez besoin d’un ordinateur Mac ou Windows.

OnShape 

OnShape est disponible pour les ordinateurs de bureau, les tablettes et les smartphones, ce qui rend votre capacité à travailler sur vos conceptions sur diverses applications très flexible. Un essai gratuit de 14 jours est disponible. Après la fin de l’essai, cela peut coûter jusqu’à 2100 $, selon le tarif choisi. Comme OnShape est une solution cloud, il est accessible via n’importe quel navigateur Web tel que Safari, Chrome, Edge ou Firefox.

LaserWeb

Le logiciel LaserWeb est un outil de découpe laser open source, entièrement gratuit. L’un des avantages de cet outil est la possibilité d’importer plus d’un fichier avec différents formats dans un même projet. Cela augmente votre flexibilité et constitue une bonne option pour la collaboration. Avec une grande communauté chez LaserWeb, l’accès à de nombreux trucs et astuces peut vous aider à concevoir votre fichier vectoriel. LaserWeb peut être utilisé sur Mac ainsi que Windows.

Google Sketchup for school

Et oui !

Il est possible d'utiliser le logiciel de modélisation 3D de google, un peu à l'instar de onshape en exportant les surface de vos volumes en DXF. Sa simplicité d’utilisation permet de simuler les assemblages par exemple avant la découpe pour vérifier le bon positionnement ou de concevoir des maquettes de construction (maisons, ponts, architecture, etc) assez facilement.

Conclusion

Le choix d’avoir une machine de découpe laser dans son atelier de technologie n’est plus une question : cet équipement fait non seulement partie intégrante de cette matière pour les avantages lors de la fabrication mais aussi est ouvert en utilisation à d'autres disciplines (Art, Sciences, Mathématique).