Sublimation ou vaporisation
La sublimation est un type de changement de phase d'un état solide à un état gazeux, sans phase liquide intermédiaire. Il s'agit du même processus que celui par lequel la glace sèche se transforme en vapeur sans devenir liquide. Le matériau absorbe rapidement de l'énergie, ce qui ne laisse aucune chance à la fusion. Le même principe est appliqué à la découpe au laser, où une grande quantité d'énergie est transmise au matériau dans un temps relativement court, ce qui provoque un changement de phase direct du matériau de l'état solide à l'état gazeux, avec le moins de fusion possible.
La coupe commence par la création d'un trou de serrure ou d'une entaille initiale. Dans l'entaille, il y a plus d'absorption, ce qui entraîne une vaporisation plus rapide du matériau. Cette vaporisation soudaine crée une vapeur de matériau à haute pression qui érode davantage les parois de l'entaille tout en éjectant les matériaux de la coupe. Cela approfondit et élargit le trou ou la coupe réalisée.
Ce procédé convient à la découpe de plastiques, de textiles, de bois, de papier et de mousse, qui ne nécessitent que de petites quantités d’énergie pour être vaporisés.
Fusion
Par rapport à la sublimation, la fusion nécessite moins d'énergie. L'énergie nécessaire est environ un dixième de celle nécessaire à la découpe laser par sublimation. Dans ce processus, le faisceau laser chauffe le matériau, ce qui le fait fondre. Lorsque le matériau fond, un jet de gaz provenant de la buse coaxiale avec le faisceau laser expulse le matériau de la découpe. Les gaz d'assistance utilisés sont inertes ou non réactifs (par exemple, l'hélium, l'argon et l'azote), ce qui facilite uniquement la découpe par des moyens mécaniques.
En raison de sa faible consommation d'énergie, il est utilisé pour couper des métaux non oxydants ou actifs tels que l'acier inoxydable, le titane et les alliages d'aluminium.
Découpe laser réactive
Dans ce procédé, un gaz réactif est utilisé pour générer plus de chaleur en réagissant avec le matériau. Le procédé commence par la fusion du matériau à l'aide d'un faisceau laser. Lorsque le matériau fond, un flux d'oxygène gazeux sort de la buse coaxiale et réagit avec le métal en fusion. La réaction entre le métal et l'oxygène est un processus exothermique, ce qui signifie que de la chaleur est libérée. Cette chaleur contribue à la fusion du matériau, ce qui représente environ 60 % de l'énergie totale nécessaire pour couper le matériau. Les oxydes métalliques fondus sont expulsés par la pression du jet d'oxygène.
Outre la moindre énergie requise par le faisceau laser, la découpe au laser avec des gaz réactifs est plus rapide que la découpe au laser avec des gaz inertes. Cependant, comme ce procédé repose sur une réaction chimique, l'oxyde métallique fondu qui n'est pas expulsé par le jet d'oxygène se forme le long du bord de la découpe. Cela produit des coupes de moins bonne qualité qu'avec des gaz inertes.
Ce procédé est utilisé pour couper les aciers au carbone épais, les aciers au titane et d’autres métaux facilement oxydables.
Rupture par contrainte thermique
Ce procédé consiste à introduire une petite entaille à une profondeur d'environ un tiers de l'épaisseur du matériau à l'aide d'un laser. Le laser est ensuite utilisé pour induire des contraintes localisées. Pour ce faire, il faut chauffer un petit point qui crée des forces de compression autour de celui-ci. Après avoir traversé le faisceau laser, la zone se refroidit légèrement, créant des contraintes thermiques. Dans certaines conceptions, des liquides de refroidissement sont utilisés pour aider à la génération de contraintes thermiques. Lorsque ces contraintes induites atteignent des niveaux de défaillance, une fissure se propage et provoque une séparation.
Le mouvement du faisceau laser dirige cette séparation de manière contrôlée. Cette méthode nécessite généralement moins de puissance que la vaporisation laser avec de meilleures vitesses de coupe. Le chauffage localisé est normalement effectué en dessous de la température de transition vitreuse.
Les lasers CO₂ sont largement utilisés pour cette application, car la lumière infrarouge d'une longueur d'onde de 10,6 µm est idéale pour couper la plupart des non-métaux. Cependant, tous les matériaux ne peuvent pas être coupés par un seul type de laser, car différents matériaux absorbent la lumière à différentes longueurs d'onde. Les fractures de contrainte thermique sont largement utilisées pour couper des matériaux fragiles tels que la céramique et le verre.
Une autre méthode plus récente qui utilise les principes de la fracture sous contrainte thermique est le découpage furtif. Il s'agit d'une technologie de découpe au laser développée à l'origine par Hamamatsu Photonics et utilisée pour découper des plaquettes de semi-conducteurs et des pièces de systèmes microélectromécaniques ou MEMS. Dans ce type de découpe, la saignée initiale est créée à un point interne du matériau. Le découpage furtif est un processus de découpe à sec où la coupe produite est propre et sans dépôts fondus.