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  • LA DÉCOUPE PLASMA EST DE PLUS EN PLUS RAPIDE ET PRÉCISE

    Dans Métallerie sont parus de nombreux articles sur les développements dans la découpe plasma CNC, qui abordaient à chaque fois un sujet précis.
    Cette fois, nous revenons en arrière et voulons évoquer à nouveau le principe de la technique et les nombreuses possibilités.
    Par ailleurs, nous cherchons à connaître quelle est la place de la technique dans le secteur, maintenant et dans le futur.

    PRINCIPE DE LA DÉCOUPE PLASMA

    Qu’est-ce que le plasma?

    Outre le solide, le liquide et le gaz, il existe le plasma, aussi dénommé le quatrième état d’agrégation.
    Ce n’est pas entièrement vrai, car les transitions entre les différents états d’agrégation sont évidentes, tandis que la transition entre gaz et plasma s’effectue dans un mouvement continu. Le plasma est un état dans lequel un gaz est ionisé. Par conséquent, les atomes du gaz perdent leurs électrons à cause d’une température élevée, produite par une énergie (électrique) ajoutée.

    Les électrons libérés de l’atome se déplacent librement dans l’espace et seront ainsi disponibles pour conduire l’électricité.
    Un plasma est donc un gaz très chaud qui est capable de conduire l’électricité et de véhiculer le courant.
    Ces deux propriétés – chaleur et conduction – sont largement mises à profit dans la technique de la découpe plasma.




    Principe d’une torche plasma

    La découpe plasma découle du soudage TIG et a été progressivement développée de façon empirique pour devenir la technique raffinée que nous connaissons aujourd’hui.
    Le principe repose sur un arc électrique tiré entre une électrode et une pièce conductrice. Cet arc se crée dans un gaz qui, ce faisant, va former un plasma.
    Ce gaz ionisé traverse ensuite à haute température et à haute vitesse un embout de perçage. Le métal est découpé par la haute température (20.000 à 30.000 °C).
    Le métal va sublimer à l’endroit de l’impact (de la forme solide au gaz, sans étape intermédiaire) ou fondre. Le gaz qui s’écoule, souffle le métal fondu afin de former une coupe nette.

    Gaz utilisés

    En principe, n’importe quel gaz peut être amené à l’état plasma. Dans la découpe plasma, on utilise l’air, l’oxygène, l’azote ou l’argon-hydrogène.
    Ceci peut se faire sous forme simple ou dans un mélange de différents gaz, en fonction du résultat souhaité.

    Outre ce gaz de coupe, on utilise un gaz de protection (gaz tourbillonnant, gaz secondaires) dans le processus plasma.
    Le gaz secondaire encadre l’arc et est utilisé pour rétrécir l’arc et refroidir la torche.
    En même temps, il crée un environnement de coupe qui peut influencer positivement la qualité du bord de coupe. Des exemples de gaz protecteurs sont l’air, le CO2, l’oxygène-azote et l’azote.



    CONSTRUCTION DE LA DÉCOUPEUSE PLASMA CNC

    Système à portique

    Le gros des systèmes de découpe plasma CNC est construit dans une disposition à portique. La machine est constituée d’une grande table sur laquelle est posée la tôlerie. Le portique sur lequel est montée la torche plasma, se déplace d’avant en arrière au-dessus de cette tôle pour la découper.

    Différents éléments

    Un système de découpe plasma CNC comprend:

    • Une source de courant, aussi dénommée source plasma. La source génère un signal à haute fréquence pour démarrer l’arc et génère ensuite le courant pour préserver l’arc électrique.
    • Une console de gaz. Celle-ci travaille de façon manuelle ou automatique. Avec la console de gaz, les gaz à utiliser sont sélectionnés. Elle règle aussi le débit et la bonne pression de coupe, en fonction du type et de l’épaisseur du matériau.
    • Une boîte de connexion de la torche ou boîte de connexion plasma. Ceci est l’accouplement de la torche plasma avec le set de flexibles qui achemine les gaz.
    • Une torche plasma. Ceci est l’endroit où l’arc et le gaz plasma convergent, et où est produit l’arc plasma. Cette torche comprend aussi les différentes pièces d’usure. De série, la torche utilise une tête fixe, mais elle peut être munie d’une tête à changement rapide. Il existe aussi des torches spéciales pour usinages spécifiques.
    • Une table de coupe. Ici est déposée la tôle à usiner.
    • Une commande CNC.


    Il est important de retenir qu’une table de découpe plasma est toujours la conjugaison de l’installation plasma et de la table de coupe sur laquelle se trouve la tôle à usiner. La CNC gère les deux systèmes indépendants qui doivent parfaitement concorder.

    Propriétés spécifiques et caractéristiques techniques

    Les caractéristiques spécifiques d’une source plasma sont:

    • Le courant de coupe.
    • Le courant de marquage. Ceci est le réglage de la torche pour réaliser des lignes de coupe superficielles, comme le marquage des lignes de pliage, les indications de soudage, les lignes de centrage, les numéros de pièce, etc.
    • Les gaz plasma et protecteurs utilisés.
    • La durée de mise en œuvre (duty cycle) qui indique combien de temps la torche peut couper sur le courant maximal avant de devoir stopper la coupe pour laisser la machine reposer.
    • Les différentes plages de coupe dans les matériaux, comme l’épaisseur de coupure maximale réalisable sans bavures.
    • La vitesse de coupe pour un courant déterminé et ce, selon l’épaisseur et le type de matériau à couper.

    Propriétés de coupe en fonction du gaz

    Pour tous les matériaux conducteurs d’une épaisseur de 0,5 à 60 mm, on peut utiliser l’air comprimé comme gaz de coupe.
    Pour des matériaux plus épais et surtout pour des coupes de meilleure qualité, on doit recourir aux gaz techniques.
    Il convient encore de distinguer l’acier et l’inox.

    Pour l’acier, on utilise généralement l’oxygène.
    On utilise d’abord l’air comprimé pour épargner la cathode, avant de passer ensuite à l’oxygène, dès que l’arc principal est formé. En guise de gaz protecteur, on utilise l’oxygène ou l’air comprimé, ce qui permet d’atteindre une très grande précision.

    En l’absence d’azote, on peut souder immédiatement après la coupe. Le plasma oxygène est intéressant d’un point de vue économique jusqu’à env. 50 mm, la découpe autogène est à nouveau envisageable au-delà. Avec le plasma, une épaisseur maximale de ± 160 mm est possible, il est vrai avec l’utilisation d’argon/ hydrogène.
    Dans la coupe de l’inox, on utilise un mélange d’argon/hydrogène/azote comme gaz de coupe, avec l’azote comme gaz protecteur complété par un gaz de formage.
    Ceci permet d’obtenir une surface de coupe parfaitement lisse et brillante. Dans l’inox aussi, une épaisseur maximale de ±160 mm est possible en standard, avec les sources les plus lourdes.

    CARACTÉRISTIQUES ET PARAMÈTRES DE LA DÉCOUPEUSE PLASMA CNC

    Paramètres


    Les paramètres qui déterminent une coupe plasma correcte, sont le courant, la vitesse, les réglages du gaz et la hauteur de coupe. Une machine qui dispose d’un bon réglage de hauteur avec des possibilités de réglage suffisantes, peut faire la différence. La procédure de plongée est aussi importante.

    La table de coupe


    La table de coupe est bien entendu importante pour placer avec précision les matériaux à usiner. Outre les dimensions de la table et la longueur et largeur utiles, on doit faire attention à la charge maximale. On doit aussi choisir entre les différentes sortes de tables de coupe, comme une table de coupe sèche avec aspiration de la fumée ou une table d’eau. Pour terminer, on doit aussi tenir compte de la précision et de la vitesse du positionnement des plaques métalliques.

    Commande CNC


    Sur les découpeuses plasma CNC, un contrôle du gaz automatique est devenu le standard. Sur la base des paramètres de coupe introduits, le CNC gérera automatiquement le contrôle du gaz et la torche.
    A la lumière de l’Industry 4.0, il y a aussi déjà une intégration poussée via le CNC, où des paramètres de coupe étendus sont sauvegardés dans les banques de données internes. Ces CNC comportent une bibliothèque avec des tableaux de coupe pouvant être complétés par des paramètres propres pour applications ou matériaux spéciaux.
    On peut aussi relier ces banques de données à des robots ou des tables CNC plus petites qui peuvent charger les données via le réseau.

    Options


    Bon nombre d’options sont possibles. Comme l’intégration d’une unité de perçage qui commence par percer les trous irréalisables par la découpeuse plasma.
    Après ces perçages, les formes sont découpées.
    D’autres options sont plusieurs dispositifs de levage de torche ou un ou plusieurs chalumeaux autogènes pour les épaisseurs de matériau de plus de 60 mm.
    Chez certains constructeurs, on peut aussi agrandir le portique de coupe par un petit robot pour permettre la coupe 3D.



    Applications

    La découpe plasma s’utilise pour tous les matériaux conducteurs d’une épaisseur de 0,6 à 160 mm, le plus souvent des tôles, mais on peut aussi usiner des profilés, des tubes et des pièces préformées.
    Les machines plasma CNC sont utilisées dans de nombreuses industries: constructions métalliques générales, construction, construction d’escaliers, construction de hangars, construction de machines, construction navale, construction de routes et ouvrages hydrauliques, …

    La découpeuse plasma permet de découper des formes complexes nécessaires à la construction de chaudières, à la découpe de plaques pour bétonnières ou à la découpe full 3D.
    Ceci est surtout intéressant pour la construction métallique, comme dans le grugeage de profilés en acier, profilés en I ou en U et les tubes.
    Les matériaux interrompus ou non conducteurs tels que le béton peuvent aussi être coupés avec un hotwire. Un cordon de soudure est ajouté au rayon plasma pour former un arc principal constant.

    Avantages et désavantages

    Avantages:


    • Rapport qualité/prix élevé;
    • Peu sensible aux perturbations;
    • Processus entièrement automatisé;
    • Très polyvalent en portée et matériaux;
    • Vitesses de coupe plus élevées que les autres techniques;
    • Délai très court entre concept et production.



    Désavantages:


    • Ne convient pas pour couper de petits détails ou dans les matériaux fins (p.ex. trou de 2 mm dans une tôle de 2 mm). Surtout pare que l’arc plasma est relativement grand (1 à 7 mm).
    • Pas de jolie coupe possible dans les matériaux non conducteurs.

    Rentabilité

    La rentabilité est déterminée par le coût par mètre coupé. La découpe plasma est nettement moins chère que d’autres techniques. Une installation complète coûte de cinq à dix fois moins par exemple qu’une découpeuse laser.

    DÉCOUPE PLASMA DANS UN CADRE PLUS LARGE

    De plus en plus appliquée


    Ces dernières années, la vente de découpeuses plasma a connu une grande croissance. Dans pas mal d’entreprises, le plasma remplace la cisaille à tôle classique. Les coûts d’entretien minimes, la simplicité et la vitesse d’utilisation, et le prix d’achat relativement bon marché de la machine sont à la base de sa popularité. On note également une tendance vers l’achat d’une machine uniquement pour la facilité et la flexibilité offertes, au lieu de confier la découpe à des sous-traitants.

    Evolution du marché


    Tous les fabricants et fournisseurs indiquent que la découpe plasma est en vogue, parce que de plus en plus d’entreprises prennent conscience de ses avantages. La complexité des pièces exécutées augmente, car outre la découpe de la tôle, on demande davantage de couper également des tubes et profilés.

    Les dernières tendances


    En général, les constructeurs de machines tentent d’encore affiner la coupe et d’augmenter la vitesse de coupe. Ils misent surtout sur la découpe de tôles de plus en plus minces en inox et en aluminium. L’aspiration à une qualité laser est généralement tangible. La progression de l’Industry 4.0 est en cours, avec p.ex. des sources plasma gérées et contrôlées via Ethernet. La demande de séries plus petites, voire de pièces uniques, sera rendue techniquement possible.

    Points d’attention lors de l’investissement


    Lors de l’investissement dans une découpeuse plasma, on doit avant tout être conscient que la découpe plasma combine la mécanique, le logiciel, les systèmes plasma et le réglage de hauteur. Le constructeur de machines doit aussi en être conscient.

    Normes en vogue et certification

    Dans la découpe plasma, la norme ISO9013 est importante.
    Elle détermine comment évaluer une coupe (en cohérence avec l’ISO1090). Pour la source plasma et les périphériques, la norme EN 60974 est surtout importante.
    Il s’agit surtout de la sécurité électrique.
    La certification d’une installation va évaluer cette sécurité électrique, ainsi que les risques causés par les gaz présents, l’hydrogène et l’oxygène, pouvant impliquer un danger d‘explosion inhérent.

    Merci à De Tollenaere, Plasma Solutions en Haco

    COUPE EN BISEAU
    La coupe en biseau ou coupe sous un angle est réalisée pour préparer une soudure.
    Ceci est appliqué aussi bien sur la tôle que sur des profilés et des tubes.
    La suspension de la torche peut être réglée en continu jusqu’à 45-50° (exceptionnellement 60°).
    Ceci permet de préparer quasi chaque angle et chaque cordon de soudure.
    On peut ainsi couper des cordons en V, K et X, mais on doit tenir compte de la complexité croissante et des limites de la technologie.
    En contrepartie, le coupeur en biseau peut aussi tourner, de manière à pouvoir aussi appliquer un côté oblique dans des trous ou des formes complexes.
    Pour la coupe en biseau, des banques de données avec des paramètres de coupe et des valeurs de compensation d’angle et de dimension sont aussi mises à la disposition par les fabricants de source plasma.
    Cette façon de couper en biseau s’effectue avec une tête de biseau automatique traditionnelle, mais l’inconvénient est que la coupe en biseau ne se fait que dans un seul plan.
    Un robot avec tête en biseau offre bien plus de possibilités. On peut couper en biseau dans le plan horizontal, mais aussi dans l’espace complet (3D).


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