Découpeuse et graveuse laser

Jean-Luc — 2024-05-23T06:48:37Z

Une découpeuse et graveuse laser est probablement la machine-outil la plus intéressante pour le modélisme ferroviaire. Elle permet de réaliser ses propre kits de bâtiment avec des matières première très peu chère et une mise en œuvre plutôt aisée.

J'ai découvert cette technologie dans un FabLab. On trouve habituellement installées dans les FabLabs des machines professionnelles d'une puissance élevées, de grand format, 1m² ou plus, encombrantes et de coût non négligeable ; On parle de plusieurs milliers d'euros. Ces machines sont équipées d'un laser CO2 et permettent la découpe de matériaux épais. Un laser à CO2 émet de la lumière à environ 10µm de longueur d'onde, c'est à dire dans l'infrarouge pas si proche que ça.

Les machines pour les particuliers

Les machines accessibles aux particuliers utilisent une technologie différente et moins chère, la diode laser. Ici la longueur d'onde se situe entre 500 et 900 nm [1], donc dans le visible ou le très proche infrarouge. Dans cette catégorie on trouve des machines allant d'environ 150€ à 600-700€ selon la puissance, la taille et le degré de sophistication et d'équipement. La puissance démarre à 5W et monte à 40W. Toutes ces machines ont des architectures similaires :

Un cadre en profilé d'aluminium (axe Y) ;
Un portique en profilé d'aluminum sur lequel se déplace le laser (axe X) ;
Un laser réglable en hauteur pour que la focale soit centrée sur le matériau à découpé ;
Un moteur pas-à-pas pour le déplacement du portique le long de l'axe Y ;
Un moteur pas-à-pas pour le déplacement du laser sur le portique le long de l'axe X ;
Une carte de commande pilotant la puissance du laser et les deux moteurs pas-à-pas et reliée à un ordinateur.

On peut aussi avoir quelques fonctions supplémentaires comme le Wifi pour transférer des fichiers sur la machine et découper de manière autonome.

Contrairement aux machines professionnelles, rien n'est prévu de base pour l'extraction des fumées et il faudra se débrouiller pour concevoir et fabriquer un système d'extraction. La figure ci-dessous montre la machine que j'ai choisie, une Longer Ray5 10W.

Découpeuse/graveuse laser Longer Ray5

Cette machine a une surface de découpe de 400x400mm mais j'ai également acheté l'extension de l'axe Y qui porte cette dimension à 850mm.

Le martyr

Comme on ne va pas découper directement sur la table, il faut prévoir un support adapté. Placer sous les pièces à découper une planche de bois n'est pas la meilleure idée car le dessous de la pièces sera brulé. Le mieux est d'acheter un support en aluminium en nid d'abeille prévu pour la découpe laser, un LaserBed. Des supports de grande taille sont plus rares mais la société MECPOW vend un nid d'abeille de 400x800mm de surface utile. Tant pis pour les 50mm perdus sur l'axe Y. Dans le kit, on a également une plaque en inox qui se place sous le nid d'abeille.

Le LaserBed MECPOW 400x800mm

L'Air Assist

Lorsque le laser découpe un matériau, des gaz et des fumées s'en échappent. Les fumées vont venir diffracter le laser et baisser son efficacité. Les gaz ont tendance à s'enflammer. Ce n'est pas réellement dangereux tant que l'on ne respire pas les émanations [2] mais cela provoque des flashs de brûlure sur la surface du matériau. L'Air Assist est une pompe qui envoie un jet d'air dans l'axe du laser ; les gaz sont dispersés et la fumée est soufflée sous le matériau et dans le LaserBed. Le résultat est une découpe très propre et plus rapide. Cette option est indispensable pour le maquettiste.

Air Assist pour la Longer Ray5

En pratique

La préparation des pièces

La production de pièces découpées au laser commence par le dessin de celles-ci. Un simple logiciel de dessin vectoriel 2D suffit. Inkscape en est un mais on peut aussi utiliser un logiciel de CAO comme FreeCAD pour des pièces complexes qui seront plus difficiles, voire impossible, à faire avec un logiciel de dessin 2D. Pour ma part, j'utilise Graphic et FreeCAD. Une fois la pièce dessinée, il faut l'exporter dans un format permettant de l'importer dans ...

Le logiciel de découpe

Ma découpeuse laser nécessite la version GCode de Lightburn. Lightburn permet l'importation du SVG, du PDF (incidemment car c'est le format d'Adobe Illustrator) et du DXF. Les différents tracés peuvent se voir affecter une couleur et à chaque couleur, on fait correspondre un mode de découpe/gravure : trait ou remplissage, une vitesse de déplacement du laser et une puissance du laser.

Le couple vitesse/puissance donne l'énergie associé à la découpe ou au remplissage. Plus on va vite et moins le matériau est entamé, Plus la puissance du laser est importante et plus le matériau est entamé. Lightburn propose un générateur d'essais qui trace ou remplit une matrice de carrés en faisant varier vitesse et puissance dans des intervalles.

Les opérations sont effectués dans l'ordre de classement des couleurs. Typiquement, si une pièce comprend une partie de gravure par remplissage (couleur A) et une découpe (couleur B), on fera d'abord la couleur A puis la couleur B afin que la gravure ne se fasse pas sur une pièce déjà découpée et qui peut donc bouger.

Pour les petites pièces découpées dans un matériau fin, comme du bristol, Lightburn peut pour chaque couleur engendrer automatiquement des pattes de fixation afin d'éviter que la pièce ne s'envole ou ne tombe dans une maille du LaserBed.

Il va sans dire que lors de la découpe on doit constamment superviser la machine. Il ne s'agirait pas d'aller faire autre chose et de se retrouver avec la maison incendiée.

Quels matériaux

Les matériaux privilégiés sont le bois et ses dérivés. Plus précisément, pour le modélisme ferroviaire, on trouve le MDF qui existe en différentes épaisseurs mais aussi les différents papiers plus ou moins forts, plus ou moins texturés. Il est également possible de découper du plastique mais pas n'importe lequel. Certains se découpent mal car ils fondent et forme un bourrelet disgracieux comme le polystyrène ou l'ABS. D'autres, comme le PVC, diffusent des gaz nocifs comme le chlore lorsque le laser les brûle. On ne pourra pas découper un plastique transparent avec un laser à diode car il est aussi transparent à la longueur d'onde du laser. Ce n'est pas le cas pour un laser CO2. On peut découper pour nos usages de l'acrylique (ou PMMA ou Plexiglas).

Pour conclure

D'autres questions restent bien entendu en suspens comme la manière de combiner tous ces matériaux pour réaliser un modèle, la finesse qu'il est possible d'atteindre ou encore la manière de rendre un effet voulu sur un modèle ou encore l'utilisation de Lightburn. Ces questions seront prochainement abordées au fur et à mesure sur mon blog.

[1] Du moins si j'en crois l'offre disponible chez TME.

[2] Malgré tout j'ai un extincteur de voiture de 1kg à proximité.