Laser CNC de découpe et de gravure

• Les découpeuses/graveuses laser CNC d’entrée de gamme peuvent désormais s’acheter pour moins de 1 000 dollars, mais un laser suffisamment puissant pour être utile se rapproche davantage d’un équipement nécessitant des renforts de sécurité que d’un produit fini, en raison des risques de lésions oculaires, d’incendie et de gaz toxiques
• Une utilisation sûre commence par le fait de ne pas employer tel quel un châssis ouvert ; un caisson fermé, une extraction vers l’extérieur, des interverrouillages, un arrêt d’urgence, une structure ignifugée, ainsi qu’un extincteur et une détection incendie sont des prérequis de base
• L’achat doit se décider non pas sur la puissance électrique d’entrée, mais sur la puissance optique réelle (W), la longueur d’onde, la structure de la tête, la zone de travail, l’air assist, la précision, la vitesse de coupe et la qualité du caisson
• Les lasers à diode conviennent au bois, au papier et à certaines gravures de surface, mais pas à la découpe du métal ; les lasers fiber sont performants sur le métal ; les lasers CO2 sont plus polyvalents mais plus chers et plus contraignants à entretenir
• La qualité du résultat dépend du fichier de conception, de la conversion en G-Code, de la mise au point et de la taille du spot, du nettoyage des lentilles, du flux d’air, du maintien du matériau et des tests puissance/vitesse selon le matériau ; des essais répétés pour chaque machine sont donc nécessaires

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Un équipement dont le point de départ est la sécurité

• Les découpeuses laser CNC peuvent provoquer des blessures permanentes ou la cécité à cause de la lumière concentrée et des fumées et gaz générés pendant la découpe
• Parmi les lasers assez puissants pour découper ou graver utilement, il n’existe pas de « laser sûr » ; il ne faut pas prendre au pied de la lettre les images promotionnelles de fabricants montrant un châssis ouvert ou une installation en intérieur
• Le risque d’incendie étant élevé, l’interdiction de fonctionnement sans surveillance est la règle de base ; si ces contraintes sont trop lourdes, un makerspace local doté des équipements de sécurité requis peut être un meilleur choix

• Caisson et réponse d’urgence

  • Un laser à châssis ouvert ne doit pas être utilisé tel quel et doit impérativement fonctionner dans un caisson
  • Même si le fabricant montre des photos ou des vidéos d’utilisation dans un espace résidentiel, cela ne change rien
  • Mieux vaut éviter de l’utiliser dans un espace de vie, et les enfants comme les animaux domestiques doivent rester à distance d’un laser en fonctionnement
  • Le caisson doit être ventilé, et le système d’extraction doit pouvoir traiter plusieurs fois par minute le volume du caisson, ainsi que le débit d’air injecté par l’air assist
  • L’extraction doit être filtrée sans fuite, puis rejetée à l’extérieur, loin des bâtiments occupés
  • S’il y a une fenêtre, elle doit filtrer la longueur d’onde du laser utilisé ; l’observation par caméra est plus sûre
  • Même si le fabricant affirme qu’aucune ventilation n’est nécessaire, la ventilation du caisson reste indispensable
  • Le caisson doit comporter un interverrouillage, et l’ouverture de la porte doit désactiver complètement la machine comme un arrêt d’urgence
  • À l’extérieur, il doit y avoir un bouton d’arrêt d’urgence coupant l’alimentation de l’ensemble du système
  • Si possible, on peut aussi utiliser une barrière optique créant une limite inaccessible pendant le fonctionnement
  • Le caisson doit être de construction ignifugée, et son fond doit résister à un tir direct continu du faisceau, la tête laser étant à sa position la plus basse et à pleine puissance
  • Un extincteur de capacité suffisante et un système de détection incendie sont nécessaires à proximité du caisson

• Matériaux à éviter et protection des yeux

  • Certains matériaux ne doivent pas être découpés ni gravés
  • Le PVC ne doit être ni découpé ni gravé en aucune circonstance, car il peut produire du chlorure d’hydrogène
  • Le polycarbonate ne doit pas être découpé ni gravé, sauf si l’on peut travailler dans une atmosphère inerte comme l’azote
  • Le cuir n’est pas recommandé, car il peut dégager une forte odeur et présenter des risques ; si l’on travaille malgré tout dessus, il faut éviter les matériaux tannés au chrome
  • Les limites de sécurité de puissance varient selon la longueur d’onde, et les lésions causées par le laser peuvent être difficiles à percevoir au début parce que le cerveau les compense
  • Il faut se procurer des lunettes de protection de haute qualité adaptées à la longueur d’onde du laser auprès d’une source fiable
  • Les lunettes de protection ne remplacent pas le caisson et doivent être portées en permanence à proximité d’un laser allumé
  • Non seulement le faisceau direct, mais aussi les réflexions peuvent causer des dommages graves
  • Les lasers visibles de 380 à 750 nm, en particulier les lasers à diode bon marché, peuvent donner l’illusion d’être sûrs simplement parce que le faisceau est visible
  • Toute lumière dépassant 1 mW peut être dangereuse
  • Un faisceau visible peut être plus difficile à bloquer et peut aussi fuir sur d’autres fréquences
  • Les lasers fiber utilisant l’IR à 1064 nm peuvent être extrêmement dangereux, car l’œil focalise la lumière sans bénéficier d’un réflexe de clignement ou d’évitement
  • Les équipements en infrarouge lointain comme le CO2 ont un faisceau invisible, et les yeux peuvent être endommagés avant même que la blessure soit perçue
  • Tous les lasers assez puissants pour découper ou graver efficacement doivent être utilisés dans un caisson, et s’éteindre automatiquement à l’ouverture de celui-ci

La place des lasers CNC bon marché

• Les équipements CNC n’ont cessé de devenir plus abordables depuis les années 1980, mais les découpeuses laser sont longtemps restées chères, peu puissantes, volumineuses, lourdes et gourmandes en énergie
• Il est désormais possible d’acheter une découpeuse/graveuse laser CNC fonctionnelle pour moins de 1 000 dollars
• Les équipements d’entrée de gamme ne percent pas l’acier épais comme les machines industrielles, mais ils fonctionnent bien pour découper le bois et divers matériaux, ainsi que pour graver du texte ou des images sur des surfaces adaptées
• Une découpeuse laser est un outil de fabrication soustractive qui retire de la matière inutile
  • Elle peut couper plus profondément qu’un traceur de découpe à lame rotative
  • Contrairement à un emporte-pièce, elle ne nécessite pas de coût de mise en place
  • Elle est relativement moins chère qu’un waterjet, mais la coupe de matériaux inflammables peut légèrement brûler les bords
  • Contrairement à un découpeur plasma, elle peut aussi couper des matériaux non conducteurs
• Contrairement à une imprimante 3D, où l’essentiel de la matière d’entrée devient le produit final, il n’est pas rare d’avoir 20 à 30 % de chutes

Histoire et types de découpeuses laser

• Les découpeuses laser existent depuis 1965, mais elles étaient encore si chères au milieu des années 1980 qu’on les voyait rarement sur le terrain
• Les premiers lasers devaient utiliser une optique de haute précision tout en découpant les matériaux avec une densité d’énergie extrêmement élevée
  • Le faisceau issu d’un tube de quartz à gaine de verre refroidi par eau traversait l’espace libre, passait par un miroir sur l’axe X, un miroir sur l’axe Y, puis une lentille de focalisation avant d’atteindre le matériau
• Sont ensuite apparus les lasers fiber, utilisant des lasers solid-state et des étages d’amplification par fibre, permettant une découpe plus efficace grâce à une taille de spot plus petite
• La grande force motrice de la baisse des coûts a été le laser à diode fourni par l’industrie des semi-conducteurs
  • Les équipements auxquels un amateur ou une petite entreprise a le plus de chances d’avoir accès sont les lasers à diode et des machines industrielles plus petites et plus légères

Caractéristiques à vérifier avant l’achat

• Pour choisir une découpeuse laser, il faut examiner ensemble la puissance optique, la structure de la tête, la longueur d’onde, la zone de travail, l’air assist, la précision, la vitesse de coupe, le caisson et le type de laser
• Les machines du marché sont en grande partie fabriquées en Asie, avec des variations importantes de présence ou non de caisson, de qualité et de puissance
• Les lasers à diode bon marché peuvent servir d’outils pratiques, mais du point de vue de la sécurité, ils ne peuvent pas être utilisés tels quels ; il est donc plus réaliste de les considérer comme un kit ou un point de départ

• Puissance optique et structure de la tête

  • La puissance d’une découpeuse laser doit être évaluée en W de puissance optique
  • Certains fabricants communiquent sur la puissance électrique d’entrée pour faire paraître leur machine plus puissante qu’elle ne l’est réellement
  • Même lorsque les fabricants de lasers à diode bon marché affichent la puissance optique, ils l’exagèrent parfois
  • Les lasers tube ou fiber industriels de plusieurs milliers de W peuvent couper environ 10 mm d’acier doux, mais un laser à diode d’entrée de gamme d’environ 40 W n’est pas adapté à la découpe du métal
  • Un laser de 5 W a du mal à beaucoup couper et, lorsqu’il y parvient, c’est lent
  • Une tête laser à diode se compose d’une ou plusieurs diodes laser, de miroirs et lentilles de combinaison du faisceau, et d’une lentille de focalisation
  • À puissance égale, moins il y a de diodes, plus le spot est petit et la puissance concentrée, mais les diodes peuvent chauffer davantage et avoir une durée de vie plus courte
  • Les têtes de coupe puissantes comportent généralement un ventilateur de refroidissement ; si le ventilateur s’obstrue ou tombe en panne, la tête peut être détruite rapidement
  • Plus la puissance est élevée, plus la coupe est profonde ou rapide, et certains matériaux jusque-là impossibles à couper deviennent accessibles
  • Une tête en réseau de 6 diodes a montré des performances seulement environ 3 à 4 fois supérieures à celles d’une diode unique de 5 W, et non 6 fois, avec davantage de spillover autour des bords de coupe
  • La taille du spot influe directement sur la largeur de coupe et l’overspill
  • Le kerf en surface d’un laser à diode peut être d’environ 0,4 mm
  • Un assemblage par emboîtement peut obtenir une friction sans colle avec une compensation d’environ 0,1 mm
  • Une tête nominale de 30 W a pu couper du bois tendre de 18 mm et du contreplaqué à base de bois tendre, à environ 250 mm/min dans de bonnes conditions

• L’option du matériel industriel d’occasion

  • Si l’objectif est de lancer une activité, du matériel fiber ou CO2 industriel d’occasion peut aussi être une option
  • Le matériel industriel n’est pas destiné au loisir ; il est lourd, volumineux et gourmand en énergie, mais son débit surpasse largement celui des machines hobby
  • L’évaluation d’un équipement d’occasion exige de l’expertise, et les pièces comme le service peuvent coûter cher
  • Il peut être judicieux de commencer avec un laser à diode bon marché pour acquérir de l’expérience et des bases de conception, puis de considérer à long terme un équipement industriel comme un meilleur investissement

Longueur d’onde, zone de travail, air, précision

• Caractéristiques selon la longueur d’onde

  • La longueur d’onde du laser est une caractéristique qui définit sa couleur, et les lasers à diode se situent généralement dans le spectre visible violet à bleu de 400 à 470 nm
  • Certains matériaux absorbent bien cette longueur d’onde, tandis que d’autres la réfléchissent, si bien que l’essentiel de la puissance n’est pas absorbé par la pièce
  • Les grandes longueurs d’onde ont tendance à être plus adaptées aux matériaux difficiles comme le métal, mais il n’existe pas de laser à diode capable de couper le métal de manière fiable ou à une épaisseur utile
  • Les lasers à fibre se situent généralement dans le domaine infrarouge à infrarouge moyen de 780 à 2200 nm et conviennent à la découpe du métal
  • Les lasers CO2 utilisent des longueurs d’onde de 9,3 à 10,6 µm, bien plus longues que celles des lasers à fibre ou à diode
  • Les lasers visibles à base de diodes sont, à certains égards, plus dangereux que les lasers IR industriels
  • Ils sont généralement livrés sans enceinte
  • Il n’y a pas d’interverrouillage coupant le laser quand l’utilisateur accède à l’intérieur
  • Le faisceau visible est difficile à bloquer et peut fuir vers d’autres parties du spectre
  • Si vous utilisez une tête infrarouge, il faut un équipement doté d’un pilot laser visible pour pouvoir repérer la position du faisceau

• Zone de travail

  • Une grande zone de travail permet de traiter des pièces plus grandes et des travaux plus longs, et le nesting peut réduire les déchets
  • L’équipement pris en exemple utilise une zone de travail de 61 × 61 cm, une machine de 70 × 80 cm, et une enceinte de 1 m × 84 cm pour plus de 1 m de haut
  • Il est difficile d’utiliser 100 % de la zone de travail
  • On perd une partie de la surface à cause des fixations, des endstops, du framing et de la prévention des découpes dans le vide près des bords
  • On peut souvent utiliser presque tout un axe, mais sur l’autre on perd fréquemment une partie des côtés

• Air assist

  • Pour une machine de découpe, l’air assist est presque indispensable
  • Sur les machines de 20 à 40 W, on utilise généralement environ 10 à 15 L/min
  • L’air assist enlève les fragments de matériau déjà touchés par le laser, ce qui permet de couper plus profondément
  • Trop d’air peut toutefois avoir l’effet inverse si la pièce refroidit plus vite que le laser ne la chauffe

• Précision et vitesse

  • Un découpeur laser standard peut atteindre une précision d’environ 0,1 mm, ce qui est très élevé dans cette gamme de prix
  • La précision répétable dépend de la manière dont les moteurs entraînent le gantry et la tête
  • En général, le mouvement se fait par glissement sur des roulements, avec des courroies et des pignons moteurs
  • Les moteurs sont le plus souvent des steppers plutôt que des servos, donc une perte de pas peut faire échouer immédiatement la pièce
  • Comme il n’y a pas de réaction d’outil, le problème de perte de pas peut être moindre que sur une fraiseuse
  • La machine doit être assemblée d’équerre et installée à niveau pour que la profondeur de coupe et la pénétration restent constantes sur toute la surface de travail
  • La vitesse de coupe est principalement limitée par la puissance de la tête laser, tandis que la vitesse de déplacement est influencée par le poids du gantry sur l’axe Y et de la tête sur l’axe X, la taille des moteurs pas à pas, la stabilité de l’alimentation et les frottements

Installation et logiciel de pilotage

• Exigences d’installation

  • Un découpeur laser doit impérativement être installé dans une enceinte
  • La découpe n’est pas un procédé propre, produit parfois beaucoup de fumée, et cette fumée peut être très nocive à respirer
  • Les machines avec air assist ont besoin d’une admission d’air propre pour réduire l’encrassement de l’optique
  • La fenêtre de l’enceinte doit permettre de voir l’intérieur tout en bloquant une grande partie de la lumière laser
  • La structure sous la surface de travail doit être résistante au feu, et il doit y avoir un moyen réel d’éteindre un incendie
  • En cas d’urgence, il faut pouvoir couper rapidement l’alimentation même au prix de perdre la pièce, par exemple avec un gros bouton d’arrêt d’urgence rouge en forme de champignon ou une multiprise avec interrupteur
  • La découpe du PVC est absolument interdite en raison des gaz toxiques, de la corrosion et des risques de blessure ou de mort

• G-Code et logiciel de contrôle

  • La plupart des lasers communiquent avec l’ordinateur hôte via serial-over-USB, et le langage de contrôle est le G-Code
  • Le G-Code est largement utilisé pour piloter des équipements de fabrication comme les tours, fraiseuses, découpeurs laser et perceuses à coordonnées
  • Écrire directement du G-Code étant fastidieux, on utilise généralement à la fois un logiciel de conception et un logiciel de conversion en G-Code
  • Exemples de logiciels grand public
    • LightBurn : prend en charge Linux et les caméras au-dessus du plateau
    • LaserGRBL
    • OpenBuilds
    • LaserWeb
  • Il existe un mélange de produits gratuits et commerciaux, à choisir selon le workflow, la prise en charge des formats de fichier, l’existence ou non d’erreurs d’import, et les tests par matériau et par épaisseur

• Corrections de découpe que le logiciel ignore

  • Les logiciels de pilotage laser examinés laissaient de côté une partie du savoir-faire de terrain et comportaient aussi des bugs subtils
  • La compensation de rayon consiste à décaler la trajectoire de la moitié de la largeur du faisceau pour améliorer la précision
  • Les courbes extérieures doivent être compensées vers l’extérieur, et les courbes intérieures vers l’intérieur
  • Mais le logiciel peut confondre l’intérieur et l’extérieur
  • La bonne approche consiste à appliquer l’offset vers le côté scrap, mais le fichier d’entrée ne contient pas forcément cette information
  • Lorsqu’on perce un matériau épais, on part de la zone de scrap puis on avance en spirale jusqu’au bord de la pièce, de sorte que le laser touche toujours la pièce en mouvement
  • Si le spot est asymétrique, il faut couper plus lentement dans certaines directions pour obtenir un résultat régulier
  • La plupart des logiciels ne permettent pas de régler la vitesse selon la direction, ce qui oblige à descendre à la vitesse minimale qui traverse dans toutes les directions
  • Dans ce cas, la vitesse de coupe diminue et la précision sur un axe peut se dégrader

Outils de conception et formats de fichier

• Pour couper du matériau, il faut d’abord une conception, que l’on peut créer soi-même, acheter ou obtenir en modifiant un design ou une œuvre existante
• Il existe aussi des générateurs gratuits de conception pour découpe laser qui créent automatiquement des motifs personnalisés
• Le choix de l’outil de conception dépend du profil de l’utilisateur
  • Profil artiste : logiciel de dessin
  • Profil ingénieur : CAD
  • Profil programmeur : outil de parametric design
• Exemples d’outils
  • Interactive CAD : Tinkercad, Rhino, Blender, AutoCad, Sketchup
  • Drawing : Gimp, Inkscape, PhotoShop, Illustrator
  • Parametric CAD : SOLVESPACE, OpenSCAD
• Comme formats intermédiaires pour la découpe, on utilise couramment SVG, DXF, JPG
• Il est important que le logiciel de pilotage laser puisse importer avec précision, sans conversion, le format exporté par le logiciel de conception
• Ressources de design
  • boxes.py : propose un générateur paramétrique non seulement pour des boîtes, mais aussi pour divers objets
  • Etsy : on y trouve beaucoup de designs payants, mais il faut faire attention aux cas de revente de créations originales ou gratuites
  • MakerCase : générateur de boîtes simple
  • Gear designer
  • Liste de dépôts de designs sur Reddit

Compatibilité selon les matériaux et tests

• Les résultats de découpe et de gravure varient fortement, de très bons à inutilisables, selon la puissance de la machine, la vitesse de déplacement, l’état de l’optique et l’état du matériau
• Il ne faut pas découper un nouveau matériau si l’on n’est pas certain à 100 % de sa sécurité, et il faut d’abord vérifier via la fiche de données de sécurité et des recherches s’il vaut la peine d’être essayé et quels sont les risques
• Des logiciels comme LightBurn proposent une fonction de coupon de test de matériau, et la plupart des pilotes laser offrent aussi une fonction similaire

• Bois

  • Le bois est un bon matériau pour la découpe laser
  • Un laser de puissance intermédiaire peut découper assez facilement quelques mm de bois, tandis qu’une puissance plus faible impose une vitesse plus lente et augmente le risque de noircissement
  • Les lasers à diode découpent bien même du bois tendre relativement épais, mais ont du mal avec les bois durs à forte densité
  • Les engineered wood demandent une gestion des fumées plus rigoureuse, car les colles s’évaporent aussi
  • Si vous n’aimez pas les bords sombres de la coupe, vous pouvez surdimensionner la pièce d’environ 0.1mm puis la poncer
  • Le bois découpé peut conserver une odeur de brûlé pendant longtemps
  • On peut la réduire par ponçage, peinture, laque ou léger sandblasting
  • L’odeur peut mettre jusqu’à plusieurs mois à disparaître
  • Les contreplaqués utilisent des colles différentes ; s’il y a de fines lignes noires entre les plis, il peut s’agir de résine phénolique, ce qui peut rendre la découpe plus difficile

• Tests sur bois avec un cutter nominal de 30W

  • Contreplaqué de bouleau
    • 2.6mm : puissance 60 %, 700mm/min, 1 pass
    • 4.1mm/5.5mm : puissance 60 %, 450mm/min, 1 pass
    • 7.8mm : puissance 60 %, 200mm/min, 1 pass
    • 11.8mm : puissance 60 %, 150mm/min, 1 pass
    • 18mm : puissance 80 %, 300mm/min, 3 pass
  • MDF
    • 3.2mm coated : puissance 80 %, 500mm/min, 1 pass
    • 9mm : puissance 80 %, 200mm/min, 1 pass
  • Hardwood ply
    • 3.7mm : puissance 70 %, 200mm/min, 1 pass, coupe peu propre
    • 3.7mm : puissance 50 %, 600mm/min, 4 pass, plus propre mais avec un peu plus de noircissement sur le dessus
    • Les panneaux de hardwood ply plus épais donnent des résultats très mauvais et sont inutilisables
  • Hardboard
    • 3.4mm : puissance 60 %, 450mm/min, 1 pass

• Papier, fibres, cuir

  • Le papier et le carton ondulé se découpent bien, et on peut utiliser une vitesse de coupe élevée
  • L’air assist peut souffler le matériau ; il faut donc le désactiver
  • Si la vitesse est trop faible, le noircissement des bords devient important
  • Il est aussi possible de superposer plusieurs feuilles pour les découper en une seule fois
  • Le carton ondulé d’emballage triple cannelure de 5.7mm se découpe à 60 % de puissance, 1000mm/min, 1 pass
  • Les fibres organiques fonctionnent généralement bien, mais les fibres synthétiques peuvent fondre, ne pas se découper proprement et être difficiles à détacher du plateau
  • La découpe et la gravure du cuir ne sont pas recommandées
  • Le rendu n’est pas très esthétique et l’odeur est très forte
  • Le cuir tanné au chrome peut produire des fumées très toxiques

• Métal et gravure de surface

  • Découper du métal avec un laser à diode fonctionne mal, sauf si le métal est extrêmement fin
  • Avec une tête laser 455nm, tous les essais de découpe de métal ont échoué ; au mieux, on obtenait une légère décoloration de l’acier inoxydable à pleine puissance
  • Pour découper le métal, il faut un laser fiber de plusieurs kW, mais cela coûte cher, implique une grosse machine, nécessite du triphasé et peut demander une autorisation en zone résidentielle à cause des vapeurs métalliques
  • L’aluminium anodisé peut être bien gravé
  • Le principe consiste à vaporiser la couche de surface pour révéler le métal nu en dessous
  • La découpe de l’acier inoxydable est difficile avec un système à diode, mais la gravure peut être possible
  • En pulvérisant du Dykem Red engineering marking fluid, puis en gravant et en essuyant à l’IPA, on obtient un marquage rouge permanent

• Plastiques, polycarbonate et autres

  • L’acrylique n’a pas encore été testé
  • Le polycarbonate ne peut pas être découpé en sécurité avec un laser à diode bon marché et un système à air
  • La plupart des plastiques et le PVC ne doivent pas être découpés au laser
  • Ils peuvent produire des fumées très toxiques
  • La pièce peut coller au plateau ou prendre feu
  • Des tests sur la pierre et la céramique sont prévus prochainement
  • Le Delrin/Acetal est coûteux et n’a pas encore été testé ; l’article Hackaday suivant est cité : Drawbacks of Lased Delrin and How to Slip Around Them

Conseils pratiques et maintenance

• Découpe de matériaux épais

  • La découpe de matériaux épais en plusieurs pass perd beaucoup en efficacité au-delà de 2 ou 3 passages
  • Le faisceau se disperse dans la saignée, si bien qu’en profondeur il reste très peu de puissance
  • Il frappe davantage les côtés que le fond
  • En retournant le matériau et en découpant le motif miroir depuis l’autre face, on peut pratiquement doubler la profondeur de coupe possible
  • L’alignement peut être facilité par des trous pilotes et un fixture
  • En insérant au moins deux goupilles dont la position s’inverse au retournement, on peut conserver l’alignement
  • Lors du deuxième pass, il faut appliquer un miroir au motif

• Lamination

  • En découpant plusieurs feuilles du même motif dans du bois fin, puis en les collant sous pression, on peut fabriquer une pièce plus épaisse que ce que la machine peut produire directement
  • On peut empiler de fines découpes pour fabriquer des pièces comme un hardwood gear
  • En décalant ou en faisant pivoter volontairement les couches, ou en collant des tranches découpées dans une seule direction, on peut créer un effet 3D
  • L’ajout de registration holes et de hardwood dowels améliore l’alignement des couches, la solidité et la précision
  • Les dowels doivent être légèrement plus courts que l’épaisseur totale afin de permettre une pression suffisante pendant le collage

• Gestion de l’air et de l’optique

  • La pompe à air fournie d’origine peut être faible, et un shop compressor d’entrée de gamme peut être préférable
  • L’air doit être sec et exempt d’huile
  • Il ne faut pas trop augmenter le débit au risque de débrancher le tuyau ou de casser l’optique
  • Une tête laser classique peut utiliser environ 10~30L/min d’air
  • Il existe un débit d’air optimal pour chaque combinaison cutter/matériau/puissance
  • Trop d’air refroidit excessivement le matériau, trop peu n’évacue pas suffisamment les débris de coupe
  • Un encrassement de la lentille peut réduire la puissance de coupe après seulement quelques heures de travail
  • Mieux vaut nettoyer l’optique avant un gros travail, et cela prend généralement moins de 5 minutes
  • Si la lentille n’est pas nettoyée régulièrement, les dépôts de fumée peuvent se souder au verre et provoquer des dégâts permanents
  • Dans les cas graves, ces dépôts peuvent entraîner un échauffement et un refroidissement irréguliers, jusqu’à faire éclater la lentille
  • La lentille se nettoie avec un chiffon de nettoyage pour lentilles ; en cas d’encrassement important, on peut utiliser de l’alcool, et l’acétone en dernier recours
  • Avant le remontage, la lentille doit être parfaitement propre et sèche

• Fixation du matériau et réduction du noircissement

  • Les matériaux légers peuvent bouger sous l’effet de l’air assist ou des chocs de l’enceinte, et même un petit déplacement peut ruiner la pièce
  • Fixer le matériau au plateau avec des dispositifs comme des tie-down pins imprimés en 3D permet aussi de maintenir une mise au point constante
  • Si le tuyau d’air est pincé, si la buse est bouchée par des dépôts de carbone, ou si l’admission de la pompe est obstruée, le flux d’air peut diminuer ou s’arrêter
  • Sans O-ring sur la buse, l’air peut fuir vers le haut au lieu d’être dirigé vers le bas
  • Si l’aspect de surface est important, on peut poser du painter’s tape ou du transfer tape afin que le noircissement reste sur le ruban
  • Sur des matériaux qu’on ne peut pas graver directement, on peut retirer certaines zones du transfer tape et l’utiliser comme stencil pour la pulvérisation
  • Une coating mate sur une surface réfléchissante peut améliorer l’absorption d’énergie et aider à la découpe ou à la gravure

• Vérification des courroies et des vis

  • Les courroies d’un cutter laser à diode peuvent se détendre et glisser avec le temps, il faut donc les retendre périodiquement
  • Celles qui déplacent le gantry méritent particulièrement d’être contrôlées, car elles déplacent en permanence une masse en aller-retour
  • Si vous voyez une petite squiggle verticale au début d’un déplacement en Y, cela peut indiquer un overshoot ou un undershoot
  • Si une set screw se desserre, l’usure de l’axe et le jeu peuvent augmenter ; il faut donc les vérifier tous les quelques mois ou dès qu’un problème est suspecté

Ressources en ligne

• r/lasercutting
• Lasersaur
• The Guerilla Guide to CNC
• Liste de ressources Makeables
• 3axis.co
• Ameede
• Le guide des découpeuses laser grand format pour tissus de Taylor Alexander est une expérience intéressante et peu coûteuse, mais assez dangereuse faute de dispositifs de sécurité et d’évacuation des fumées

[GN⁺]

Avis sur Hacker News

• Pour les personnes intéressées, j’ai conçu un grand découpeur laser 60×78 pouces adapté à la découpe de tissus de couture. C’est une conception à très bas coût, réalisable pour quelques centaines de dollars ; le portique est amovible et le lit est en contreplaqué fin, de sorte qu’en le couvrant d’un tapis lorsqu’il n’est pas utilisé, il peut ne prendre presque aucune place supplémentaire dans un appartement.
  Le concept fonctionne, mais dans mon cas le portique accroche un peu et perd des pas, il faudrait donc l’améliorer. Pour l’instant j’ai en gros abandonné le projet, mais j’espère qu’il pourra servir d’inspiration pour une version ultérieure : https://github.com/tlalexander/large_format_laser_cutter
  Je n’ai jamais terminé la vidéo YouTube, mais il existe une vidéo inachevée sans voix off ni montage de la fin, qui montre le système en fonctionnement et quelques détails supplémentaires : https://github.com/tlalexander/large_format_laser_cutter/iss...
  La conception intègre notamment un scanner de patrons basé sur Raspberry Pi, qui peut servir à scanner des vêtements pour les reproduire, ou à scanner des patrons de couture papier en y ajoutant du travail manuel dans Inkscape.

  • Super, est-ce que je peux faire un lien vers ce projet dans l’article ?
  • Vu qu’il y a un laser de forte puissance, je me demande combien de réflexion et de budget tu as consacrés à l’aspect sécurité.
  • Projet vraiment génial, merci d’avoir travaillé dessus. Je me demande s’il existe une liste des tissus qu’il peut découper. Faut-il partir du principe que les fibres synthétiques sont exclues ?
  • Si le portique accroche, c’est très probablement parce que les deux moteurs se déplacent parfois de façon très légèrement différente.
  • T’es-tu déjà demandé s’il serait possible d’ajouter une caméra près du faisceau pour suivre la ligne de découpe comme des repères d’alignement, et de repositionner la zone de découpe afin de découper précisément une forme globale plus grande tout en gardant une zone de découpe réduite ?

• Je ne suis pas d’accord avec l’affirmation selon laquelle « les lasers à diode sont un peu plus sûrs pour les personnes sans formation particulière, car le faisceau est visible ». Les lasers à diode comme les lasers à tube peuvent rendre aveugle instantanément.
  Comme les lasers à diode sont dans le spectre visible, il faut un matériau de protection dédié qui bloque cette bande visible précise, ce qui les rend au contraire plus difficiles à confiner. En plus, beaucoup de produits fuient à d’autres fréquences, ce qui complique encore les choses.
  À l’inverse, les tubes CO2 sont plus simples. Il existe des plastiques courants qui laissent passer la lumière visible mais bloquent les longueurs d’onde infrarouges émises par les tubes CO2, ce qui facilite beaucoup le choix du matériau de protection.
  Aucun laser de découpe ne devrait être utilisé sans enceinte et lunettes de protection, et c’est beaucoup plus facile à mettre en œuvre avec un laser CO2.

  • Je suis d’accord. C’est un conseil vraiment dangereux. Les systèmes CO2 sont relativement sûrs du point de vue des lésions oculaires. Tant qu’on ne reçoit pas le faisceau directement, le 10,6 μm est fortement absorbé par l’œil et peut provoquer des lésions thermiques de surface, une cataracte ou des brûlures de la cornée, mais il ne se focalise pas sur la rétine, donc le risque de perte de vision sévère est faible.
    Les lunettes de protection en polycarbonate ont une densité optique très élevée à 10,6 μm et constituent donc un équipement de protection adapté.
    Les lasers à diode dans le visible sont bien pires. Leur puissance est généralement plus faible, mais ils restent assez puissants pour que le simple fait de regarder une réflexion diffuse produise une densité de puissance dangereuse pour la rétine. Le cerveau masque bien ce genre de dommage, au point qu’on peut ne pas s’en rendre compte avant qu’il ne soit trop tard.
    Les lasers fibre à 1,064 μm cumulent le pire des deux mondes. Leur puissance est très élevée, ils sont invisibles, donc on ne sait pas quelle quantité de lumière s’échappe ni si l’on regarde une réflexion, et les lunettes de protection sont chères et difficiles à vérifier.
    J’aime faire des choses avec des lasers puissants, mais je suis content d’avoir dû suivre beaucoup de formation à la sécurité laser avant d’acheter ma première grosse source laser.
  • Exact. C’est 100 % juste, et ma formulation était maladroite au point de pouvoir mettre en danger les personnes qui manipulent l’équipement. Si le faisceau est visible, il est probablement déjà trop tard. On ne devrait pas être dans une position où cette possibilité existe.
    J’ai mis l’article à jour avec une meilleure formulation, et j’ai aussi ajouté ce commentaire en référence. Je te serais vraiment reconnaissant de me dire s’il reste des choses à corriger.
  • J’ai du mal à comprendre qu’il se vende autant de lasers à diode de loisir sans aucune enceinte ni système d’extraction. Résultat, les gens finissent par penser que ces équipements sont optionnels, alors qu’ils ne le sont absolument pas.
  • Les lasers infrarouges sont bien plus sûrs. Comme l’œil n’essaie pas automatiquement de faire la mise au point sur le faisceau, on dispose aussi d’un petit filet de sécurité qui évite de faire un trou net dans la fovéa.
    Cela dit, il est utile de pouvoir voir où se trouve le faisceau ; une solution consiste donc à combiner un laser rouge/vert de faible puissance avec le faisceau de découpe. On peut le faire assez simplement en fixant un brin de fibre optique à côté de la tête de découpe principale.
  • Mes connaissances sont limitées, mais il me semble que les lasers de 1 mW ou moins sont considérés comme sûrs par réflexe de clignement, au sens où un clignement rapide des yeux permet d’éviter des dommages permanents.
    Cela ne s’applique pas aux lasers de découpe de cette puissance.

• L’article parle de précision, mais il s’agit de précision de positionnement, sans aborder la répétabilité. Sans répétabilité, la précision est généralement peu utile.
  On donne aussi souvent des chiffres de précision unidirectionnelle, qui ne reflètent pas le jeu dans le positionnement, et encore moins la répétabilité.
  En gros, on peut voir les choses ainsi : la précision unidirectionnelle, c’est où l’on arrive quand on commande un déplacement de 0 vers une position donnée ; la précision bidirectionnelle, c’est où l’on arrive quand, après être allé de 0 vers une position donnée, on commande une position dans la direction opposée ; la répétabilité, c’est répéter un déplacement depuis 0 puis un retour à 0, et comparer les résultats.
  Si l’on ne regarde que la position commandée depuis 0 dans une seule direction, il y a de bonnes chances que la précision soit inférieure à 0,1 mm.
  Mais pour savoir si cela reste vrai de façon répétée, il manque non seulement le mode d’entraînement, mais aussi ce qui est entraîné. Il faut voir s’il s’agit d’une vis-mère, d’une vis à billes, d’une crémaillère et pignon, ou de rien du tout.
  S’il n’y a rien, un moteur pas à pas seul comme une combinaison moteur pas à pas + courroie accumulent des erreurs via le jeu, ce qui crée des problèmes de répétabilité.
  Avec une bonne courroie, un bon réducteur, etc., on peut réduire fortement le jeu. Mais même dans cette gamme de prix, pour que la précision ne devienne pas inutile, il semble falloir un mécanisme garantissant la répétabilité, comme une crémaillère hélicoïdale avec pignon ou une vis à billes.

  • Je me demande ce qu’il faut penser des moteurs linéaires magnétiques, comme ceux qui semblent être utilisés dans le nouveau Peoploly Magneto X. Est-ce que cela aiderait à réduire fortement le jeu ?
    Par ailleurs, je m’attendais à ce que la précision soit donnée par rapport à un point de référence fixe, et donc que tous les scénarios de répétabilité décrits soient regroupés en une seule valeur au pire cas, c’est-à-dire une valeur que l’erreur ne dépasse pas.
    Je me demande si une faible précision mais une forte répétabilité signifie que le résultat peut être conceptuellement bon, avec simplement un décalage constant, ou si cela signifie plutôt que, à une échelle plus petite que la précision annoncée, on obtient des bords irréguliers, des artefacts, des zones insuffisamment ou excessivement coupées, par exemple à un coin où se rejoignent des lignes de découpe approchées depuis des extrémités différentes.
  • Ce sont de bons points.
    Cela dit, ces problèmes relèvent plutôt de l’étape d’après. Sur les lasers et les imprimantes 3D, la tête d’outil est légère et rencontre très peu de résistance, donc même un pilotage de moteurs pas à pas assez approximatif permet d’obtenir un résultat.
    Ce n’est pas faux. Mais quand on débute en CNC, il y a énormément de choses à apprendre. Acheter une machine bon marché, la comprendre, la bricoler et améliorer sa répétabilité fait partie du processus d’apprentissage. Du point de vue du DIY de loisir, c’est naturel.
    Même sans bonne machine, on peut produire des objets avec une chaîne d’outils comme Fusion 360 ou OpenSCAD.
    Si l’on a assez d’argent, on peut éviter une bonne partie de ces galères de réglage de machine, et le matériel de niveau professionnel a vraiment quelque chose de magique. Pour ma part, je suis plutôt du genre à commencer par toucher et apprendre, puis, si ça a l’air amusant, à multiplier par 10 l’investissement dans le hobby.
    Quelqu’un qui veut monter une activité avec une découpeuse laser doit connaître les points abordés ici. Un utilisateur amateur doit d’abord éviter de mourir à cause des gaz toxiques issus du cuir tanné, puis décider s’il veut fabriquer des objets ou régler des machines. Les deux sont parfaitement légitimes.
    L’essentiel est que je suis d’accord avec tous ces points. C’est aussi utile d’expliquer les difficultés qu’on rencontrera avec une machine bas de gamme. Mais une machine bon marché peut quand même être très amusante, et au final tout dépend de ce que l’on cherche.
  • Ces machines bas de gamme n’ont ni crémaillère et pignon ni vis à billes. Dans ce budget, c’est tout simplement impossible, et même si c’était possible, la machine deviendrait si petite qu’elle serait presque inutile.
    On pourrait en modifier une machine existante pour en ajouter, mais une fois terminé, cela coûterait probablement plus cher que la machine d’origine, pour une amélioration probablement à peine perceptible. On pourrait aussi ajouter des servos, une compensation de mise au point et un axe Z mobile, mais on sortirait alors de la gamme de prix hobby.
    Ces machines à châssis ouvert en aluminium ne visent pas l’usage industriel, donc les attentes doivent rester modestes. Elles ne compensent même pas la dilatation thermique du châssis.
    La qualité des courroies est généralement assez bonne. Contrairement à ce qui est affirmé, l’entraînement par courroie n’accumule pas le jeu. Il y a bien du jeu, mais tant qu’il n’y a pas de perte de pas, il reste généralement constant, et en fonctionnement normal il ne devrait pas y avoir de perte de pas. La présence de Kevlar réduit aussi beaucoup les problèmes d’allongement qu’on peut voir sur des courroies moins chères.
    Le portique est déplacé soit par deux moteurs pas à pas, soit par un axe transversal qui entraîne un engrenage passif de l’autre côté. Ce n’est pas parfait : si l’axe est long, il peut se tordre, et lors de déplacements rapides on peut voir un côté prendre un peu de retard ou dépasser lors d’un arrêt brusque.
    Malgré cela, même à très grande vitesse et après des centaines de répétitions, je n’ai pas encore observé de jeu ni de flottement visibles ou mesurables avec les outils dont je dispose. Avec un bon micromètre, j’ai constaté une erreur de position inférieure à 0,1 mm après des centaines de mètres de déplacement puis un arrêt, et l’erreur de position entre l’origine et des points arbitraires de la machine restait aussi dans les tolérances.
    Ce qui se remarque vraiment, c’est qu’à cause de la structure à châssis ouvert, la machine n’est pas d’équerre à la sortie du carton, et qu’il faut passer pas mal de temps à l’aligner correctement.
    Je n’ai pas d’interféromètre, mais si je peux en emprunter un, je compte faire des mesures. Même les tests simples actuels montrent que la machine est tout à fait utilisable et que sa précision dimensionnelle est assez bonne pour qu’il y ait peu de raisons de sous-traiter à un prestataire professionnel de découpe laser.
    Si l’on coupe du métal, c’est une autre histoire, mais avec un laser à diode, ce n’est évidemment pas ce qu’on fait. Même pour la découpe de plaques, les tolérances sur de grandes pièces ne sont pas celles d’une fraiseuse ou d’un tour. On ne fabriquera pas avec ces machines un axe monté en force ni un engrenage à dents de 1 mm.
    Si l’on a besoin d’une telle précision, ce n’est pas le bon outil, et la découpe laser elle-même n’est pas le bon procédé. Si l’on veut ce niveau de précision dans de la tôle, mieux vaut fraiser, ou créer un masque par procédé photo puis graver chimiquement.
    Pour le bois, le carton ondulé et les textiles, la précision offerte par ces machines bon marché est suffisante.

• Il manque dans l’article quelques points liés à la sécurité.
  Il faut acheter auprès d’une source fiable des lunettes de protection laser adaptées à la longueur d’onde du laser, et les porter en permanence tant que la machine est sous tension.
  Il faut aussi un moyen simple et rapide de couper l’alimentation du laser en cas d’incendie : un bouton d’arrêt d’urgence ou une prise avec interrupteur.
  Et il ne faut jamais couper du PVC. Cela produit du chlore gazeux, qui peut vous blesser ou vous tuer, ou sinon corroder la machine.

  • Avec une machine équipée d’une enceinte correcte et d’interverrouillages, les lunettes de protection laser peuvent devenir inutiles.
    Autre point : mieux vaut éviter d’essayer de couper du contreplaqué à résine phénolique. Je ne sais pas exactement à quel point la fumée et les résidus sont dangereux, mais le principal risque est probablement le formaldéhyde ; surtout, la résine phénolique se coupe mal. C’est vrai au moins avec un laser CO2, et je ne sais pas si un laser à diode fait mieux.
    La méthode qui fonctionne bien pour moi consiste à regarder le chant du contreplaqué. Si l’on voit de fines lignes noires entre les couches, c’est probablement du phénolique, et la découpe le couvrira de suie.

• En complément de cette excellente synthèse sur la découpe laser, je recommande le Guerrilla Guide to CNC : https://lcamtuf.coredump.cx/gcnc/
  C’est la meilleure référence que j’aie lue jusqu’ici sur les CNC/imprimantes 3D pour petites séries. Si l’article original vous a plu, celui-ci devrait aussi vous intéresser.

• Il faut absolument ventiler correctement l’espace
  https://www.theregister.com/2017/01/30/berkeley_maker_couple...

  • C’est une affaire horrible, et oui. Ce point est abordé. À mon avis, sans ventilation, une découpeuse laser n’est ni vraiment sûre ni utilisable.
    Ça me disait quelque chose : https://news.ycombinator.com/item?id=13507734
    Au final, il s’est avéré qu’il s’agissait d’une intoxication au CO2.
  • Il faut aussi prévoir des dispositifs d’extinction et de détection.

• Ce qu’il est vraiment difficile d’ignorer avec la découpe laser, c’est l’odeur. Par exemple, si l’on découpe des décorations de Noël, l’odeur âcre de bois brûlé reste quasiment pour toujours.
  S’il y a des pièces de bois découpées au laser, c’est la première chose que l’on sent en entrant dans la pièce. Y a-t-il une bonne astuce pour l’éviter ?

  • Oui. On peut reconnaître la présence de pièces découpées au laser, et « pour toujours » correspond plutôt à quelques mois. L’odeur finit par disparaître.
    Je suis particulièrement sensible à l’odeur de brûlé, donc c’était vraiment un problème au début.
    Parmi les solutions : fabriquer les pièces un peu plus grandes puis poncer les bords carbonisés, appliquer un vernis ou une peinture pour empêcher le bois carbonisé de dégager une odeur, ou sabler légèrement les pièces. Cela dit, le vernis et la peinture adhèrent mal sur les bords carbonisés.
  • J’ai pris une poubelle avec couvercle pour les petites pièces, et je garde un aspirateur d’atelier à proximité pour nettoyer le plateau support du laser après avoir découpé quelque chose qui sent mauvais.
    J’ai aussi amélioré le ventilateur d’extraction pour que rien ne revienne dans la pièce. J’utilise un ventilateur DC à vitesse variable, que je laisse tourner à basse vitesse après avoir découpé quelque chose d’odorant, afin d’évacuer dehors jusqu’à ce que l’odeur disparaisse.
    Le problème d’odeur était le pire avec le bois bon marché de Home Depot. En passant à du vrai contreplaqué de bouleau baltique, l’odeur a diminué, ce qui me fait penser que le matériau précédent contenait des produits chimiques.
    L’acrylique sent aussi, mais l’odeur disparaît rapidement.
  • Il est important d’utiliser du contreplaqué pour laser. L’odeur vient souvent de la colle plutôt que du bois.
    L’air assist fait aussi une grosse différence, tout comme l’utilisation d’une source laser bien focalisée avec une bonne qualité de faisceau. Si cela ne suffit toujours pas, on peut essayer de sceller avec de la gomme-laque ou du polyuréthane.

• Ces dernières années, ce domaine est en croissance, en particulier le texturage laser au laser femtoseconde. Des lasers qui, il y a dix ans, étaient des lasers de laboratoire se retrouvent maintenant montés sur les portiques de machines CNC standard.
  Malheureusement, ce qui semble manquer sur le marché des machines CNC laser haut de gamme, c’est le logiciel, ainsi que la séparation entre programmation CAM et exécution que l’on trouve sur les fraiseuses.
  Il n’existe pas d’équivalent au G-code que l’on pourrait générer depuis n’importe quel logiciel et exécuter sur plusieurs machines. À cause du mode de traitement, cela peut vite dépasser de grandes quantités de RAM et devenir impossible.

  • Je travaille dans le marquage/la gravure laser, et nous avons discuté en interne du G-code, mais nous avons finalement décidé de ne pas l’adopter parce qu’il ne convenait pas au produit. Il y avait trop de paramètres laser et trop d’éléments dynamiques, comme les QR codes.
  • Je me demande quel serait le problème à utiliser simplement les logiciels CAD/CAM existants et le G-code.

• Si l’on fait de la découpe laser CNC comme activité et que l’on utilise de grandes découpeuses laser CO2, on finit par dépenser beaucoup d’argent à remplacer continuellement les tubes laser CO2. Même si le tube est en bon état, une utilisation intensive dégrade le gaz.
  La raison pour laquelle on ne peut pas simplement recharger le gaz, c’est que la combinaison exacte de gaz permettant de produire des tubes laser stables et fiables a été privatisée il y a longtemps.
  À cause de ce seul secret industriel, d’innombrables tubes finissent à la poubelle et il s’en fabrique bien plus que nécessaire. C’est un exemple classique de monopole sur le savoir scientifique entraînant un gaspillage considérable et inutile.

  • Alors, c’est quoi cette combinaison ?

• Ce qui est bien avec la découpe laser, c’est que le format des plans est SVG, ce qui rend très facile l’écriture de générateurs paramétriques dans le langage de programmation de son choix.
  Cela facilite aussi l’intégration d’objets physiques à une application plus large, par exemple avec une visualisation 3D du résultat attendu ou des instructions d’assemblage, tout en gardant l’ensemble paramétrique.
  Je conçois plusieurs choses avec des notebooks Observable : https://observablehq.com/d/1117987aeab1be0d

  • La génération paramétrique de SVG est vraiment un excellent outil à garder dans sa boîte à outils. https://festi.info/boxes.py/ fait le même genre de magie.