Avec l'introduction des angles de copeaux laserisés, une approche totalement nouvelle sur le plan constructif et technologique entre dans le développement des outils. Au lieu de l'usinage traditionnel par des processus de meulage, le laser nécessite une construction négative, où les géométries des outils sont spécifiquement conçues pour l'enlèvement de matière par le laser. Cela entraîne un effort de conception accru, nécessite des processus CAO spécialisés et impose de nouvelles exigences en matière de structuration des données.
« L'intégration des géométries laserisées dans les outils en carbure marque un changement fondamental dans la conception et la fabrication », souligne Alexander Seifermann, responsable de la conception chez le fabricant d'outils de précision SIMTEK à Mössingen. « Là où nous meulions principalement auparavant, nous laserisons aujourd'hui souvent - avec des impacts considérables sur la géométrie, la conception et l'application. Nous nous éloignons de l'enlèvement de matière classique à grande échelle - vers la conception ponctuelle et tridimensionnelle de géométries complexes en négatif. »
Le progrès technologique apporte également des avantages commerciaux : « Les avantages sont clairement visibles : nous pouvons créer des géométries de coupe circulaires hautement précises - avec un contrôle des copeaux optimisé et souvent une fonctionnalité étendue », ajoute Norbert Seifermann, directeur général de SIMTEK. Malgré les obstacles initiaux à surmonter, l'effort supplémentaire en vaut la peine pour la plupart des cas d'application d'outils individuels. « Les résultats des copeaux sont si convaincants que nous intégrons progressivement les géométries laserisées dans notre catalogue d'outils standard. »
Changement constructif : de l'enlèvement à la construction négative
La conception classique des outils reposait sur le principe de l'enlèvement de matière à grande échelle. La conception était conçue pour que, dans la fabrication, des angles de copeaux et des surfaces de dégagement définis puissent être créés à partir d'un brut par meulage. Le laser nécessite en revanche une pensée complètement différente - on modélise désormais ce qui sera ensuite enlevé.
Cette « construction négative » entraîne un effort nettement plus élevé en CAO et génère plusieurs ensembles de données supplémentaires par outil. Le concepteur doit définir précisément quelles zones doivent être enlevées - un principe qui ressemble à celui de la construction d'outils dans le moulage par injection, mais qui est beaucoup plus complexe à mettre en œuvre. « Comme le laser travaille réellement avec un négatif, le modèle construit sert uniquement au contrôle interne », explique Alexander Seifermann, responsable de la conception.
« La fabrication accède directement au modèle négatif, le place virtuellement sur la coupe et enlève ensuite exactement le matériau qui a été défini constructivement au préalable. »
Le laser ouvre de nouveaux espaces de copeaux - mais impose des exigences plus élevées
Les géométries laserisées permettent des structures extrêmement complexes : économies, renflements, bosses - tout est planifié en trois dimensions et mis en œuvre avec précision. Cela crée de nouvelles possibilités en matière de contrôle des copeaux et d'optimisation des outils. Cependant, les exigences en matière de conception augmentent également : il faut un savoir-faire solide et un processus de coordination beaucoup plus étroit avec le client. De plus, les programmes CAO couramment utilisés par SIMTEK ne sont que partiellement adaptés à ce processus - des méthodes de travail spéciales sont nécessaires pour garantir des transitions propres et des géométries sans erreur. Alexander Seifermann et son équipe connaissent bien le problème : « Ce que nous pouvions résoudre par des valeurs d'expérience et des formes standard dans le processus de meulage devient un défi constructif lors du laser. »
Les exigences en matière de CAO, de fabrication et de communication avec les clients augmentent considérablement - et avec plus de 3 500 nouvelles développements personnalisés par an, ce n'est pas une mince affaire. En même temps, nous découvrons avec les géométries laserisées des possibilités complètement nouvelles : meilleur contrôle des copeaux, durées de vie plus longues, processus plus stables et intégration de plusieurs étapes de traitement dans un seul outil.
Compétence par l'expérience
L'entrée dans le laser des géométries de copeaux a été un processus d'apprentissage laborieux chez SIMTEK - par essais, erreurs et expériences, une expertise approfondie s'est développée au fil des ans. Aujourd'hui, tant les outils spéciaux que les outils standard peuvent être équipés de géométries laserisées. Ces outils offrent des avantages énormes en termes de gestion des copeaux et de qualité de surface, en particulier dans le traitement de petites pièces, de cuivre, d'aluminium ou d'autres matériaux sans plomb.
Cependant, il existe encore souvent un besoin de clarification lors de l'introduction de géométries laserisées. Les experts de SIMTEK accompagnent leurs clients en leur montrant les avantages qu'une géométrie laserisée peut apporter. Dans ces cas, la géométrie prévue est d'abord visualisée et expliquée pour rendre l'intention constructive transparente. Ce processus de coordination entraîne généralement des questions de retour et peut prolonger un peu le processus d'approbation, mais il permet également dans la plupart des cas une meilleure compréhension et, finalement, de meilleurs résultats.
Le laser ne signifie pas toujours la même chose
Dans les discussions, il est parfois fait référence au fait que le laser des géométries d'outils est établi depuis des années. Cependant, il convient de faire la distinction : tandis que cette technologie a déjà fait ses preuves dans le domaine des outils en PCD (diamant polycristallin), le laser des outils en carbure - en particulier dans le contexte des outils pour la microproduction - représente un défi beaucoup plus important.
En raison de la technologie, les matériaux se comportent différemment lors du laser : les particules de PCD se décomposent à environ 700°C en graphite. En présence d'oxygène, la dégradation oxydative et la décomposition commencent déjà à environ 600°C, tandis qu'en vide, la décomposition est retardée à partir de 1300°C. Le graphite se décompose, devient de plus en plus instable et peut être enlevé relativement facilement. « Ce processus commence surtout aux limites des grains, qui sont particulièrement importantes pour les outils de coupe - c'est souvent là que se trouve le tranchant ou la forme de l'étape de guidage des copeaux définie », précise Alexander Seifermann. En revanche, le point de fusion du tungstène dans le carbure est d'environ 3400°C, et le point d'ébullition même de plus de 5000°C. À ces températures, d'autres composants de liaison comme le cobalt et le carbone s'évaporent déjà - ce qui complique fortement le traitement.
Après que SIMTEK a lancé pour la première fois les géométries laserisées lors de l'AMB 2024, d'autres ont également emboîté le pas. « Nous savions que d'autres fabricants d'outils allaient maintenant intensifier leur travail sur le thème du laser après avoir vu que cela fonctionnait », souligne Norbert Seifermann. Que ce soient d'abord des structures plus simples et éloignées du tranchant principal, les géométries sont désormais devenues plus complexes.
De plus, des formes ISO frittées ou injectées sont également ajoutées. « Nous laserisons des micro-géométries qui ne peuvent plus être frittées ou injectées, et ce jusqu'au tranchant - de manière ciblée et avec une grande précision. » Le résultat est des arêtes de coupe extrêmement nettes. « Ce qui peut parfois sembler être un chanfrein de protection est en réalité un angle circulaire défini avec précision, qui est intégré de manière précise et fonctionnellement ajusté », précise Alexander Seifermann, responsable de la conception.
Le contrôle des copeaux nécessite un dialogue - pourquoi la communication est essentielle
Les géométries laserées ouvrent de nouvelles possibilités dans l'usinage - de la rupture de copeaux ciblée à la redirection, en passant par le déroulement défini. Cependant, pour exploiter pleinement ces potentiels, un échange étroit entre l'utilisateur et le fabricant est essentiel. « Plus nous en savons sur le cas d'application concret, plus nous pouvons concevoir la géométrie avec précision », explique Norbert Seifermann. Cela est particulièrement vrai pour des matériaux difficiles tels que l'acier d'emboutissage C10, l'aluminium sans plomb ou le cuivre. Avec des paramètres ajustés et des géométries laserées, des ruptures de copeaux sûres peuvent être réalisées - même là où des limites physiques s'opposent à une rupture complète des copeaux.
Informations pratiques comme base pour des résultats optimaux
Pour qu'un outil puisse exploiter tout son potentiel, des informations précises sur le matériau, les valeurs de coupe et les conditions d'utilisation sont indispensables. En pratique, il a été démontré que de petites variations dans l'avance ou la qualité du matériau peuvent avoir un grand impact sur le comportement des copeaux. « Si nous connaissons ces paramètres tôt, nous pouvons ajuster la géométrie en conséquence », souligne Alexander Seifermann. Pour les outils spéciaux, souvent utilisés en petites quantités ou pour des applications uniques, un retour constructif est particulièrement précieux. Cela permet de développer des géométries réussies de manière ciblée. « Une coordination étroite avec nos clients nous permet de développer des solutions pratiques, même sans simulation numérique complète - de manière individuelle, fiable et orientée vers l'application. »
Du cas spécial à l'outil standard
Contrairement à la fabrication sur mesure individuelle, des séries de tests internes peuvent être effectuées dans le domaine standard chez SIMTEK. Beaucoup des géométries standard utilisées aujourd'hui reposent donc sur des solutions spéciales mises en œuvre avec succès auparavant. « Nous avons transféré les connaissances issues du développement spécial, par exemple sur les géométries basées sur le rayon complet, dans des outils standards et les avons établies avec un grand succès », explique le responsable de la conception.
Particulièrement pour les arêtes de coupe en forme de rayon complet, la géométrie générée par laser est particulièrement efficace : elle permet une évacuation uniforme des copeaux sur toute la zone de coupe - contrairement au meulage classique, où l'angle de coupe change involontairement selon l'avance et la profondeur de coupe.
Plus d'efficacité grâce à un ajustement ciblé de la géométrie Un exemple concret d'application montre clairement l'avantage des géométries laserées : là où auparavant deux outils et un porte-outil supplémentaire étaient nécessaires pour effectuer des entailles radiales et des découpes, un seul outil laseré suffit aujourd'hui, comme le montre la pratique. Cela permet non seulement d'économiser des changements d'outils et de l'énergie, mais réduit également considérablement l'usure de la machine et de l'outil.
Un autre exemple pratique concerne le traitement d'une vis de vidange d'huile avec plusieurs diamètres et un dégagement axial. Alors que pour de telles tâches, le meulage nécessitait généralement deux outils séparés avec une géométrie de coupe limitée, le laser permet d'intégrer les arêtes de coupe et les angles de coupe de manière à ce que toutes les étapes de travail puissent être effectuées avec un seul outil - sans compromis sur l'évacuation des copeaux.
Norbert Seifermann déclare à ce sujet : « Avec le meulage, nous aurions introduit une étape de guidage des copeaux dans la direction principale des copeaux - mais quelle est, dans ce cas, la direction principale des copeaux ? Nous aurions probablement choisi un angle de coupe de 0°, ce qui est extrêmement sous-optimal. En revanche, avec le laser, la géométrie peut être ajustée précisément au processus tout autour. »
Changement constructif avec des impacts
Alors que la conception évaluait initialement chaque nouvel outil de manière individuelle, cela s'est désormais transformé en un principe de conception éprouvé. La première étape : une géométrie de coupe circulaire, adaptée aux avances attendues. « Cela a un impact direct sur le comportement de la machine : les outils fonctionnent plus calmement, les forces de coupe diminuent, les vibrations sont réduites - et en même temps, des valeurs de coupe plus élevées peuvent être réalisées », explique Norbert Seifermann.
Un cas concret montre cet effet : pour un matériau facilement usinable, le passage à un outil laseré a non seulement amélioré de manière significative la qualité de surface, mais a également permis d'économiser une étape complète de post-traitement.
Meulage parisien remplacé par le laser
Bien que le contrôle des copeaux soit souvent l'objectif principal, des valeurs de coupe plus élevées, des temps de traitement plus courts et de meilleures qualités de surface plaident également en faveur de l'utilisation de géométries laserées. Un exemple illustratif est le soi-disant « meulage parisien » - une géométrie hybride complexe meulée pour des opérations de tournage d'entrée et de tournage longitudinal. Cependant, cette géométrie produisait des copeaux non contrôlés et était plus coûteuse à fabriquer pour le fabricant d'outils. En passant à une solution laserée, SIMTEK a pu résoudre complètement le problème. La variante de meulage précédente a été retirée du catalogue et remplacée par la version laserée.
Géométries standard avec système - et avec des limites
Malgré tous les progrès, le domaine standard reste limité à des géométries universelles telles que le dégrossissage et le finissage. Celles-ci doivent fonctionner pour une variété de matériaux. Cela entraîne inévitablement des conflits d'objectifs : ce qui fonctionne très bien pour un client peut être inadapté pour un autre. Une couverture complète de tous les cas d'application n'est donc pas réaliste dans le standard - ici, l'outil spécial reste le meilleur choix.
Laser avec estimation - la rentabilité décide
Malgré les possibilités technologiques, le laser n'est pas toujours économiquement viable. En particulier pour les petites séries ou les usinages simples, une géométrie laserée peut dépasser le besoin réel. La décision doit toujours être prise individuellement, en fonction du matériau, de la tâche d'usinage, des temps de cycle et de préparation, ainsi que du nombre de pièces attendu. Il arrive également qu'une variante laserée soit convaincante, mais qu'une variante meulée s'intègre mieux dans les exigences de temps de cycle du client. Le principe est donc le suivant : ne pas tout laseriser ce qui est techniquement possible - mais seulement ce qui est économiquement et procéduralement rentable.
Conclusion : Du cas spécial à la solution en série
Le laser permet de découper des outils exactement selon les exigences spécifiques des clients - par exemple, grâce à des géométries circulaires pour les processus d'entrée et de découpe. Cela réduit les changements d'outils, économise du temps de traitement et augmente la sécurité de processus. Même des problèmes auparavant difficiles à maîtriser, tels que les copeaux enchevêtrés lors de dégagements de filet ou les arêtes de coupe lors d'angles de coupe négatifs, peuvent être résolus avec succès grâce à des géométries laserées. Ce qui a commencé chez SIMTEK comme une approche expérimentale est aujourd'hui une technologie établie avec des processus clairement définis. Les géométries d'outils laserées offrent un contrôle fiable des copeaux, de longues durées de vie et ouvrent de nouvelles possibilités dans le développement d'outils. Pour environ 80 à 90 % des applications, les outils laserés en 3D offrent une alternative réaliste - et souvent supérieure - au meulage conventionnel - tant sur le plan technique qu'économique.
Auteur : Ralf M. Haassengier
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