Brevet FR2009767A1 — publié le 19700206

La présente invention se rapporte à la découpe dWouvrages, en particulier en matièreqfion métalliques. Le terme "découpe" dans cette description se rapporte également aux opérations consistant à percer un ouvrage pour former un canal ou une fente s'étendant entre ses surfaces principales. On sait découper des ouvrages métolliques (et en particulier des ouvrages ferreux) en dirigeant contre eux un faisceau de rayonnement cohérent et un courant d'oxygène. La présente invention est basée sur la découverte surprenante qu'une réaction de découpe entre un ouvrage non métallique et un faisceau de rayonnement incident peut être modifiée d'une manière avantageuse au moyen d'un courant de gaz qui nta pas besoin d'être constitué par de l'oxygène ni mtme d'en contenir. Le faisceau est de préférence, mais d'une manière non essentielle, un faisceau d'un rayonnement cohérent. En conséquence, la présente invention fournit un procédé pour découper des ouvrages non métalliques qui consiste à diriger contre une zone de sa surface un faisceau de rayonnement d'une énergie suffisante pour obtenir la fusion, la décomposition thermique ou la vaporisation de la matière frappée par le faisceau, et à diriger en même temps contre la zone un courant de gaz qui modifie la réaction qui se produirait entre le faisceau et l'ouvrage s'il nty avait pas de courant de gaz. Des ouvrages appropriés peuvent entre en des matières plastiques synthétiques telles que le Nylon, le méthacrylate de méthyle ou le chlorure de polyvinyle, ou bien en des matières telles que le papier, le bois, le cuir, le verre, des matières à base minérale et des matières textiles. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre, faite en regard du dessin annexé, qui donne à titre explicatif mais nullement limitatif une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ce dessin La figure 1 est une vue schématique d'un appareil servant à mettre en oeuvre la présente invention, utilisé avec un ouvrage en la figure 2 est une coupe d'un ajutage destiné au courant de gaz, l'ajutage interceptant un faisceau convergent de rayonne ment la figure 3 est un diagrsmme de répartition de l'énergie dans la section droite du faisceau, suivant la ligne 111-111 de la figure 2 la figure 4 est une coupe schématique d'un canal ou d'une découpe effectuée avec un faisceau comportant une répartition normale de l'énergie, et la figure 5 est une coupe semblable à celle de la figure 4 mais représentant un canal ou une découpe effectuée avec un faisceau dont la répartition de l'énergie est plus uniforme. L'appareil général servant à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention est reprisent schématiquement sur la figure 1. I1 comprend une source de rayonnement sous la forme d'un laser à C02'2,à fonctionnement continu dont le faisceau de sortie 4 est agencé de manière a tomber sur un miroir 6 à polissage avant. Le faisceau réfléchi tombe sur un dispositif 8 servant à produire un courant de gaz qui est dispos coaxialement par rapport au faisceau 4. Le dispositif 8 comprend une enveloppe 1G comportant un orifice dBentrde 12 et un orifice de sortie 14. L'orifice de sortie peut Entre constitué par un simple orifice formé sur une plaque, ou bien il peut se présenter sous la forme d'un canal, par exemple de section droite convergente/divergente, destiné à produire un courant gazeux dont la section droite axiale est délimitée avec précision.Du fait que cet aspect de l'appareil ne constitue pas en lui-m8me le sujet de la présente invention, il ne sera pas décrit ni représenté plus en détail. Bur une paroi de l'enveloppe 10, se trouve une fenêtre 16 à travers laquelle passe le faisceau avec des pertes de transmission #inimales# La entre 16 peut Etre simple ou bien elle peut Etre lenticulaire. Elle a pour fonction principale d'empocher le gaz de s~chapper de lgenveloppe 10 autrement qu'en traversant l'orifice de sortie 14, sans affaiblir inutilement le faisceau 14. L'appareil est conçu de telle sorte que sur une première surface de l'ouvrage 18, tombe un faisceau de rayonnement focalisé (dans ce cas d'un rayonnement cohérent) et un courant de gaz coaxial. De préférence, la surface en section droite de ltou- vrage sur laquelle tombe le courant est supérieure à la surface sur laquelle tombe le faisceau et renferme celle-ci, de sorte que la surface supérieure de l'ouvrage qui entoure la zone irradiée est refroidie par le courant de gaz incident. Il n'est pas essentiel que le courant de gaz soit disposé coaxialement par rapport au fasiceau, bien que ceci soit préférable. Lorsque le rayonnement tombe sur un ouvrage, sans courant de gaz, on trouve que des ouvrages en certaines matières s'enflamment instantanément, et que la découpe résultante est extrêmement déchiquetée et brouillée par la matière carbonisée. Cependant, lorsquton applique le courant de gaz, on peut obtenir des découpes avec des surfaces relativement lisses, sans que la matière ne s'enflamme, et avec un minimum de carbonisation. On a trouvé que pour la plupart des matières, la composition du gaz n'influence pas d'une manière appréciable la vitesse ou la qualité de la découpe, de sorte que n'importe quel gaz convient. D'une manière surprenante, ceci s'applique même lorsqu'on utilise des gaz tels que ltoxygène, qui normalement réagiraient avec la matière au détriment de la découpe. Bien qu'on ait indiqué plus haut que le faisceau du laser est concentré ou focalisé, ceci n'est pas essentiel pour toutes les applications, par le fait que le faisceau de sortie du laser 2 peut être suffisamment parallèle et présenter une densité d'énergie suffisamment élevée pour produire l'effet voulu sur un ouvrage. L'ouvrage 18 est normalement fixé sur un support (non représenté) qui peut être déplacé suivant une ou deux dimensions en même temps, de sorte que le lieu de la zone atteint par le rayonnement est soit une ligne droite, soit une ligne courbe. Dans certaines applications, le rayonnement peut être appliqué d'une manière intermittente à'l'ouvrage, de manière à former sur celui-ci une série de petites ouvertures, de découpe ou de perforationaeUne telle ligne brisée est destinée à entre couverte dans la présente description par le mot lign. On a illustré dans les exemples suivants l'application de la présente invention à la découpe de différentes matières. Exemple 1 Une feuille de méthacrylate de méthyle (qui est vendue sous le non commercial de Perspex) d'une épaisseur d'environ 3,2 mm a été découpée en utilisant un laser à C02 de 175W de sortie avec une longueur d'onde de 10,6 p Le faisceau de rayonnement du laser a été concentré à travers l'extrémité d'un ajutage coaxial afin de produire une tache d'un diamètre de 0,38 min. L'orifice de sortie de l'ajutage présentait un diamètre de 1,0 mms et l'extrémité de l'ajutage était espacé de 3,2 mm de la surface principale la plus proche de la feuille. De l'air a été fourni à ltenveloppe de l'ajutage à une pression d'environ 0,39 kgicm. Une coupe a été effectuée à une vitesse de 635 mm par minute en produisant une découpe d'une largeur de trait moyenne de 0,63 mm présentant des surfaces propres à peu près complètement non déformées. Le gaz étant coupé, la largeur moyenne du trait de coupe a augmenté jusqu'à 0,8 min. Les bords supérieurs de la paroudu trait de coupe étaient beaucoup plus arrondis (comme on le voit schématiquement sur la figure 4) et les surfaces voisines de l'ouvrage présentaient une déformation due à leur échauffement. Exemple 2 Les conditions de fonctionnement ont été les mêmes que pour l'exemple 1, mais l'ouvrage était constitué par une planche de bois de 35,6 mm d'épaisseur. La vitesse de la coupe était de 25 mm par minute. Après avoir appliqué le courant de gaz, la largeur du trait de coupe résultant a été de 0,51 mm au sommet, le trait de coupe s'ouvrant à mesure que la profondeur augmentait jusqutà ce qu'il atteint une largeur de 0,63 mm à la surface inférieure de l'ouvrage, ce qui donne une largeur moyenne pour le trait de coupe de 0,57 min. Lorsque le gaz a été coupé, le bois s'est enflammé instantanément, ce qui n'a pas permis d'obtenir une découpe-de qualité élevée. Dans les deux exemples indiqués ei-dessus, le gaz était de l'air. D'autres découpes ont été effectuées, dtaboli avec de l'oxygène et ensuite avec de ltargon pour remplacer ltair. Les découpes produites ne différaient pas d'une manière appréciable de celles obtenues à l'aide de l'air. Exemple 3 Les conditions de fonctionnement ont été les mêmes que pour les deux exemples ci-dessus, mais ouvrage a, été constitué par une morceau de cuir d'une épaisseur de 6,4 min. I1 a été coupé à une vitesse de 635 mm par minute, en produisant un trait de coupe d'une largeur d'environ 0,63 mm. Les surfaces de dessus et de dessous du cuir ne portaient absolument aucune marque, et seules les faces de la découpe étaient noircies. Ceci a été également vrai lorsqu'on a substitué de l'oxygène ou de l'argon successivement au courant dtair Le gaz étant coupé, on a produit une découpe inacceptable, avec une carbonisation et un noircissement de la surface supérieure et des fates de la découpe. Une caractéristique préférée mais non essentielle de la présente invention, est le fait que la zone de la surface supérieure de l'ouvrage où vient frapper le faisceau 14 est entourée par une zone sur laquelle seul le courant de gaz vient frapper. Ce courant de gaz entourant l'autre zone a pour effet de refroidir les surfaces voisines de l'ouvrage, de telle sorte qu'elles ne subissent pas 11 effet nuisible de la chaleur dégagée dans ltouvrage par le faisceau 14. Si cette région entourant l'autre zone est trop étroite, alors sa capacité à empêcher la surface supérieure d'être carbonisée est réduite, et la dimension correcte est est déterminée/ une manière empirique On peut se guider grossièrement sur le fait que la surface frappée par le courant de gaz doit être égale à environ deat ou- plusieurs fois la surface frap- pée par le faisceau. Les moyens servant à produire le faisceau et le courant de gaz peuvent dtre représentés par la figure 2, bien que ceci ne constitue pas la fonction principale de cette figure. Si le faisceau est convergent (le degré de convergence est exagéré sur le dessin pour rendre plus claire l'illustration) et si le canal 20 formé sur la plaque 2 de l'ajutage présente des cotés paralleles, alors le -courant de gaz a tendance àsortir sous la forme dgun courant à côtés parallèles, au moins sur la première partie de sa longueur, depuis la plaque 22. Le fait que la plaque est espacée de la surface supérieure de ouvrage assure que le faisceau a convergé depuis qu'il a quitté la plaque 22 de sorte qutil tombe sur ltouvrage sur une surface qui est enfermée totalement par la surface sur laquelle vient frapper le courant de gaz et qui, bien entendu, est plus petite que celle-ci. p1 est possible que la température du courant de gaz influence la réaction du fait que l'effet de refroidissement du cuurant est modifié d'une manière évidente par les variations de températures, mais on considère que ceci ne constitue pas un paramètre critique, la composition et le taux de débit du gaz étant plus important. Lorsqu#un ouvrage est découpe au moyen d'un faisceau normal de rayonnement provenant dtun laser, alors d'habitude la découpe présente la forme en section droite qu'on voit en 24 sur la figure 4. On estime que l'arrondissement des bords supérieurs du trait de coupe est produit par l'échauffement local de la surface supérieure de l'ouvrage. Ces bords arrondis sont nuisibles, et il faut les éviter. Suivant une caractéristique auxiliaire de la présente invention, ceci peut etre réalisé en rendant plus uniforme la répartition de l'énergie dans le fais ceau, au moment où il tombe sur ouvrage. La figure 3 représente la répartition de l'énergie à travers la largeur du faisceau ; dans cette figure, l'axe vertical représente l'énergie (I) du faisceau, tandis que ltaxe horizontal représente la distance (d). Le tracé est ef fectué à partir d'un point se trouvant à ltextérieur du faisceau et en parcoura#t un diamètre de celui-ci. Suivant la caractéristique auxiliaire de la présente invention, seule la partie du faisceau qui se trouve entre les lignes en trait mixte 26 est utilisée. Ceci peut Etre réalisé en utilisant une plaque aJutage présentant la configuration qu'on voit sur la figure 2, dans laquelle le diamètre de l'extrémité supérieure du canal 20 est tel qu'il coupe les parties du faisceau-dans lesquelles la densité d'énergie tombe rapidement avec la distance par rapport à l'axe du faisceau. En utilisant une plaque d'ajutage 22 telle que celle représentée sur la figure 2, on peut obtenir une découpe dont les bords sont sensiblement d'équerre et qui présentent une section droite 28, telle que celle représentée sur la figure 5. Il est préférable de prévoir un moyen quelconque à l'aide duquel il est possible de régler l'importance de la partie du faisceau 4 qui est interceptée par la plaque ajutage 22. Bien que ceci puisse être réalisé en utilisant un ajutage à dimensions réglables, ce procédé ntest pas préféré, du fait que la plaque d'ajutage doit absorber et dissiper énergie qui y est dégagée par les parties interceptées du faisceau 4. Pour cette raison, un procédé préféré pour obtenir le résultat recherché consiste à monter la plaque d'ajutage 22, de manière à pouvoir la déplacer le long de l'axe du faisceau. Ceci fait appel à la convergence du faisceau, par le fait que le déplacement de la plaque ajutage le long de l'axe de ce dernier permet d'intercepter une partie plus importante ou moindre de la section droite du faisceau. La plaque ajutage 22 est conçuete manière à dissiper ou absorber l'énergie qui y est dégagée, sans être abîmée d'une manière excessive. . Il va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIOND 1. Procédé pour découper des ouvrages non métalliques, caractérisé en ce qu'il consiste à diriger vers une zone de la surface d'un ouvrage non métallique, un faisceau de rayonnement d'énergie suffisante pour produire une fusion, une décomposition thermique ou une vaporisation de la matière frappée par le faisceau, et à diriger en m#me temps vers la zone un courant de gaz qui modifie la réaction qui se produirait entre le faisceau et l'ouvrage s'il n'y avait pas de courant de gaz. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface en section droite du courant de gaz est supérieure à la surface en section droite du faisceau à l'endroit où tous les deux viennent frapper 1' ouvrage, la surface frappée par le faisceau se trouvant entièrement à l'intérieur de la surface frappée par le courant de gaz, de sorte que la surface supérieure de l'ouvrage qui entoure la zone irradiée est refroidie par le courant de gaz. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le courant de gaz sort d'un ajutage à travers lequel passe également le faisceau, l'ajutage étant destiné à intercepter les parties périphériques du faisceau qui tombe sur lui. 4. Procédé suivant l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'ouvrage et le faisceau sont déplacés l'un par rapport à l'autre pendant l'opération de découpe, de façon à faire allonger la découpe. 5. Procédé suivant les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que le rayonnement est cohérent et provient d'un laser. 6. Appareil pour découper un ouvrage non métallique, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen servant à produire un faisceau focalisé de rayonnement de densité d'énergie suffisante pour produire une fusion, une décomposition thermique, ou une vaporisation de la matière frappée par le faisceau, et un ajutage comportant un canal à travers lequel passe à la fois le faisceau et un courant de gaz, la surface en section droite du canal étant très supérieure à la surface du faisceau à l'endroit de son foyer, de sorte que la surface de l'ouvrage qui entoure le foyer est frappée par le courant de gaz. 7. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le canal de l'ajutage présente une form ou des dimensions qui peuvent etre réglées. 8.Appareil suivant liane des revendications 6 et 7, oaractérisé en ce que le canal de l'ajutage peut être déplacé par rapport au point focal du faisceau de rayonnement. 9. Appareil suivant l'une des revendications 6, 7 et 8 caractérisé en ce que le moyen servant à produire le rayonnement est un laser. 10. Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le laser est un laser à CO2 à fonctionnexant continu0