Brevet FR2485418A1 — publié le 19811231

La présente invention se rapporte à un procédé pour ou- vrer la surface de produits en verre au moyen-d'une radiation laser par détection optique d'un motif décoratif, ainsi qu'à un agencement de mise en oeuvre de ce procédé pour utilisa- tion à la décoration d'objets, notamment dans l'industrie du verre. On peut ouvrer la surface de produits en verre au moyen d'une radiation laser, dont le coefficient d'absorption à la longueur d'onde utilisée est au minimum de 50%. Les verres d'usage courant et de qualité technique sont presque impermé- ablesaux longueurs d'ondes comprises dans le spectre infrarou- ge et leur coefficient d'absorption est très élevé, de sorte qu'il est commode d'utiliser un laser à longueur d'onde de sortie se situant dans le spectre infrarouge. Le travail d'objets en verre au moyen d'une radiation laser implique, au sens physique, une interaction de la ra- diation laser avec le verre, qui a pour effet d'évaporer une certaine masse de verre sur la ligne ou la surface ouvrée de l'objet, le principe étant en fait d'opérer "un enlèvement de matière sur l'objet en verre". De par ce principe et de par l'aspect de la surface de l'objet ouvré, le procédé de tra- vail de la surface de produits en verre avec une radiation laser est comparable à la reproduction au pantographe suivie d'attaque à l'acide chlorhydrique, aux techniques de doucis- sage mat et de gravure mate et, aussi, dans une certaine me- sure, à la technologie de travail des diamants. Les techniques classiques précitées permettent aussi d' obtenir sur des objets en verre des lignes ou surfaces ou- vrées constituant des courbes fermées ou des motifs fermés répétés. La technique classique la plus utilisée est celle de reproduction au pantographe suivie d'attaque à l'acide chlor- hydrique. Ce procédé classique est toutefois assez épineux et onéreux quant au respect des règlements d'hygiène et de sécu- rité. Il impose un certain nombre d'opérations qui sont exé- cutées manuellement et sont assez compliquées. Le travail d'objets par ce procédé prend du temps et tout changement de décor exige un temps de mise au point tel que la décoration par petites séries n'est pas rentable. Un autre procédé connu basé sur le principe d'enlèvement de matière sur un objet en verre" est celui de travail à la radiation laser décrit dans le brevet DL 112 941. Selon ce procédé, l'interaction entre la radiation laser et le verre est gouvernée par un temporisateur conçu pour être commandé, ou au moyen de masques métalliques. Ce procédé et l'agence- ment pour sa mise en oeuvre ont l'inconvénient de ne pas per- mettre l'obtention sur l'objet en verre d'une ligne ou surfa- ce ouvrée en forme de courbe fermée ou de motif fermé répété. Un autre inconvénient est que les masques métalliques sont compliqués à préparer et n'ont qu'une longévité limitée. La préparation d'un programme de commande du temporisateur est aussi, dans la pratique courante, assez épineuse. La présente invention a pour but un procédé et un agen- cement pour ouvrer des surfaces d'objets en verre au moyen d'une radiation infrarouge, qui exigent moins de temps et d' accessoires que les procédés connus et qui permettent d'obte- nir sur les objets en verre des courbes fermées et des motifs fermés répétés. Selon la présente invention, la radiation laser qui frappe la surface d'un objet en verre à symétrie axiale est absorbée dans une couche superficielle d'une épais- seur de 10-7 à 5 mm, provoquant une évaporation du verre ou une modification de la perméabilité optique du verre, le pro- gramme de déplacement de la radiation laser agissante étant électriquement déterminé "en ligne" (par liaison directe) se- lon les surfaces et lignes exigées par le motif décoratif. Au cours du travail, il faut maintenir synchronisés les mouve- ments de rotation décrits autour de l'axe de symétrie du motif décoratif et de l'objet en verre à symétrie axiale ouvré, ain- si que les mouvements de translation suivant l'axe de symétrie du motif décoratif et de l'objet en verre à symétrie axiale ouvré. La densité maximale de la radiation laser infrarouge est dynamiquement localisée au niveau de la surface de l'objet en verre à symétrie axiale ouvré. Dans l'agencement corres- pondant, le laser est électriquement relié à un capteur opti- que décelant le motif décoratif par une interface qui comprend des circuits électriques conçus pour faire commander par des signaux électriques provenant d'un capteur optique (générateur de fréquence, amplificateur, comparateur) avec l'établissement et l'interruption de la décharge dans le résonateur du laser. Le motif décoratif est situé sur un corps ayant la forme d'un cylindre ou celle de l'objet en verre à symétrie axiale ouvré. Au cas o ce corps a la forme d'un cylindre, le motif décora- tif doit subir une étude descriptive préalable afin que la radiation laser assure l'évaporation, sur l'objet en verre à symétrie axiale, suivant le motif requis de lignes et de surfaces, correspondant au motif original de lignes et de surfaces. Les dispositifs moteurs assurant les mouvements de rotation et de translation peuvent être reliés au dispositif copieur en vue de la localisation dynamique du foyer de la lentille sur la surface de l'objet en verre à symétrie axiale. Un dispositif de succion assure l'évacuation des produits d' interaction entre la radiation laser et le verre. L'avantage principal offert par le procédé selon l'inven- tion, de travail de la surface d'objets en verre au moyen d' une radiation laser et par l'agencement pour sa mise en oeuvre est que le choix des objets décorés n'est pas limité et que le motif décoratif peut être changé très rapidement, ce qui per- met de fabriquer à bon compte, en petites séries, des objets portant tel ou tel décor. Un autre avantage réside en ce que le travail de la surface d'objets en verre est très rapide, ce qui permet d'appliquer l'invention à une chaîne de fabrica- tion en grande série de verres à pied et tasses. L'utilisation d'un dispositif de succion d'un transport par carrousel des objets en verre et d'une logique externe assure automatique- ment le degré requis d'hygiène et de sécurité du travail; en particulier, elle protège les préposés contre la radiation laser et leur évite de respirer des gaz nocifs éventuels ou des particules de produits d'interaction entre la radiation et le verre. On va maintenant décrire à titre d'exemple un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour le travail de la surface d'objets en verre au moyen d'une radiation de laser infrarouge, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en élévation de l'agencement de décoration proprement dit; - la figure 2 est une vue en élévation du capteur opti- que, et - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un carrousel de transport de produits. L'agencement représenté sur la figure 1, pour la mise en oeuvre du procédé de travail de la surface de produits en verre au moyen d'une radiation infrarouge, comprend un laser 1, un opercule 2 et une logique externe 3 de commande de 1' énergie de sortie du laser 1, une optique comprenant des mi- roirs 4 et 5 à dispositifs de refroidissement 6 et 7 et une lentille 8, à dispositif de refroidissement 9, logée dans une buse à gaz 10 alimentée en gaz en 17, un mécanisme de serrage 13 assurant le centrage par serrage de l'objet en verre 11, un premier et un second dispositifs copieurs 14 et 15, un dispositif d'évacuation par succion 16 et deux dispositifs moteurs 12 et 18 assurant, le premier, le mouvement de rota- tion de l'objet ll et, le second, un mouvement de translation. Une autre partie de l'agencement, représentée sur la figure 2, comporte un capteur optique 21, un corps 20f, du capteur 21 et un troisième dispositif 19 assurant le mou- vement de rotation du corps 20. Le cas le plus simple de mise en oeuvre de l'invention est celui o l'objet en verre à symétrie axiale 11 à ouvrer est en forme de cylindre et est centré sur le même axe que le corps 20, cylindrique, portant le motif décoratif, l'objet 11 et le corps 20 tournant autour de leur axe de symétrie com- mun, à une vitesse angulaire superficielle constante et dé- crivant un mouvement rectiligne synchrone suivant leur axe de symétrie. La lentille 8 qui focalise le faisceau de CO2 du laser 1 est placée de façon que son axe optique soit de préfé- rence (bien que non obligatoirement) perpendiculaire à l'axe de symétrie de l'objet en verre à ouvrer 11 et que son foyer soit dynamiquement situé sur la surface de l'objet à ouvrer 11. Le capteur optique décelant le décor est placé de la ma- nière classique pour les transmetteurs de phototélégraphie. Il est fait en sorte que le signal électrique émis par le capteur optique 21 provoque, par une liaison "en ligne" avec la commande de radiation du laser 1, l'établissement et l'in- terruption "en ligne" de la radiation du laser 1 conformément au motif décoratif. Dans les conditions indiquées, le laser 1 fonctionne en continu et assure le report sur l'objet en verre du motif décoratif. On peut aussi modifier la qualité et l'aspect du décor par fonctionnement pulsé du laser. Dans l'agencement de décoration proprement dit, pour la mise en oeuvre du procédé de travail de la surface d'objets en verre, représenté sur la figure 1, un double mouvement, de rotation de l'objet en verre 11 autour de son axe de symétrie et mouvement de translation du foyer de la lentille 8 suivant une trajectoire donnée, assure un mouvement relatif entre le- dit foyer et la surface de l'objet 11. L'agencement est carac- térisé en ce qu'il comporte un mécanisme de serrage 13 assu- rant par serrage le centrage de l'objet à symétrie axiale 11 et exige, en tant que mouvement fondamental, la rotation de l'objet en verre à symétrie axiale 11 autour de son propre axe de symétrie. L'émission du faisceau à partir de l'ouver- ture du laser 1 est commandée par un opercule 2. L'opercule 2 est ouvert quand le carrousel amène l'objet 11 en position de travail, c'est-à-dire quand la surface de l'objet 11 est au foyer de la lentille 8. L'ouverture et la fermeture de l'oper- cule 2 sont commandées par la logique externe 3 selon les cy- cles du carrousel. L'optique que franchit la radiation du laser 1 comprend deux miroirs 4 et 5 et une lentille 8. Les surfaces réflé- chissantes des miroirs 4 et 5 doivent être en un matériau ayant un haut coefficient de réflexion à la longueur d'onde utilisée par le laser 1. D'après la nature de ce matériau, la qualité des miroirs 4 et 5 et l'énergie de sortie de la ra- -diation du laser 1, il est possible de déterminer s'il faut ou non refroidir à l'eau 6 et 7 les miroirs 4 et 5. La radia- tion du laser 1, réfléchie par le miroir 5, vient frapper la lentille 8. Si nécessaire, cette lentille est munie d'un dis- positif coaxial 9 de refroidissement à l'eau. La lentille 8 focalise la radiation du laser 1 sur la surface de l'objet en verre à symétrie axiale 11 à ouvrer. La lentille 8-est située dans la buse à gaz 10 alimentée en gaz en 17. Le premier dis- positif moteur 12 assure un mouvement de rotation de l'objet 11 enserré par le mécanisme de serrage 13. La surface de 1' objet 11 demeure dynamiquement localisée au foyer de la len- tille 8. Le miroir 5 refroidi en 7, la lentille 8 et la buse à gaz 10 refroidie en 9 décrivent un mouvement de translation forcé déterminé par le vecteur de vitesse v; la direction du vecteur de vitesse v est parallèle à l'axe de rotation de 1' objet en verre à symétrie axiale 11, la grandeur du vecteur v demeure au cours du fonctionnement indépendante du temps et l'orientation de ce vecteur v est déterminée par la disposition et par les conditions opératoires limites. Le mouvement de translation décrit par l'ensemble miroir 5 refroidi en 7 - lentille 8 refroidie en 9 par rapport au miroir 4 refroidi en 6 est assuré par le second dispositif moteur 18. Le premier dispositf copieur 15 assure au cours du travail le position- nement dynamique de la tentille 8 sur la surface de l'objet en verre à symétrie axiale 11. Le mouvement de copie peut être converti soit en un mouvement de l'ensemble des miroirs 4 et 5 refroidis en 6 et 7 et de la lentille 8 par rapport à un point stable du laser 1, soit en un mouvement de la len- tille 8 refroidie en 9 décrit par rapport au miroir 5 refroidi en 7 suivant l'axe du résonateur du laser 1. Le niveau d'ac- tion sur la surface de l'objet en verre à symétrie axiale 11, le long de l'axe de symétrie, est déterminé par le déplacement global subi par le foyer de la lentille 8 suivant l'axe de symétrie de l'objet en verre 11. Les composants engendrés par interaction de la radiation du laser 1 avec le verre sont éva- cués de la zone opératoire par le dispositif de succion 16. La figure 2 est une vue en élévation du capteur optique. La condition principale régissant le fonctionnement du capteur optique est la synchronisation absolue des mouvements de rota- tion de l'objet en verre ouvré 11 et du corps 20. Une autre condition est la synchronisation des mouvements relatifs de translation intervenant, d'une part, entre le foyer de la len- tille 8 et l'objet en verre ouvré 11 et, d'autre part, entre le capteur optique 21 et le corps 20. Le troisième dispositif moteur 19 assure la rotation du corps 20. Le corps 20 peut couramment avoir la forme d'un manchon cylindrique. Le motif décoratif, le plus souvent image photographique balayée par le capteur optique 21, est placée sur le corps 20. Si l'objet en verre 11 à ouvrer n'est pas de forme cylindrique et que le corps 20 ait la forme d'un manchon cylindrique, il est néces- saire d'établir préalablement une représentation descriptive du motif décoratif afin de définir la ligne ou surface sur laquelle il faut ouvrer l'objet en verre à symétrie axiale 11. Le signal électrique émanant de la sortie 22 du capteur optique 21 est introduit, après ajustement, dans le bloc de commande du laser 1, o la liaison "en ligne" assure l'éta- blissement ou l'interruption, selon les informations prove- nant du motif décoratif, dans le résonateur du laser 1. Au signal électrique peut aussi être superposé un signal qui com- munique ultérieurement au bloc de commande du laser 1 un état d'impulsion ou de conditionnement du laser 1. La synchronisation des mouvements de translation relatifs décrit par le capteur optique 21 par rapport au corps 20 et par le foyer de la lentille 8 par rapport à l'objet en verre à symétrie axiale lh peut être obtenue par accouplement méca- nique (mouvement forcé) ou par synchronisation électrique des dispositifs moteurs. Il est avantageux d'utiliser des disposi- tifs moteurs pas à pas pour la commande de tous les mouvements de l'agencement décrit. Toutefois, il est aussi possible d' utiliser des moteurs électriques à courant continu ou asyn- chrones. La figure 3 est une vue schématique de dessus illustrant le transport par carrousel d'objets en verre à symétrie axia- le 1h par rapport à la zone de manipulation o le préposé in- sère, suivant la flèche 23, des objets en verre ll dans le mécanisme de serrage et extrait suivant la flèche 24 des ob- jets en verre ll ouvrés. Les produits d'interaction de la radiation du laser 1 avec l'objet en verre 1h traité sont évacués par le dispositif de succion 16. Le nombre de mécanis- me de serrage 13 prévus sur le carrousel est au minimum de 2 et au maximum de 24. Le transport des produits est unidirec- tionnel quand le nombre de mécanismes de serrage est supérieur à 2; pour un carrousel à deux postes, le transport des pro- duits peut aussi être assuré par mouvement angulaire alterna- tif, de 1800. La réalisation de motifs ouvrés sur la surface de pro- duits en verre au moyen d'une radiation de laser infrarouge peut aussi être obtenue en assurant un mouvement relatif en- tre le foyer de la lentille 8 et la surface de l'objet en verre à symétrie axiale 1h de façon que le foyer de la lentil- 8 ne se déplace pas suivant l'axe de symétrie de l'objet 11 et que le mouvement de translation nécessaire suivant cet axe soit décrit par l'objet 11. Dans ce cas, les miroirs requis 4 et 5 refroidis en 6 et 7 et la lentille 8 refroidie en 9 ne sont pas situés sur la direction de l'axe optique du résona- teur du laser 1. Toutefois, cette méthode ne convient pas avec un carrousel à plus de deux positions étant donné qu'il est plus avantageux, du double point de vue énergétique et spatial, de déplacer le foyer de la lentille 8. Le capteur optique peut être, par exemple, réalisé selon le principe le plus simple du capteur optique de bélinographes classiques. Un laser convenant pour ouvrer des surfaces en verre est, par exemple, un laser à CO2 ayant une énergie de sortie de 10 à 1 000 W. Ce procédé de travail de la surface d'objets en verre au moyen d'une radiation infrarouge et l'agencement pour sa mise en oeuvre conviennent aussi pour ouvrer la surface de maté- riaux tels que céramique, vitrocéramique, enverrage, matière artificielle, bois. Pour ouvrer ces matières, on est amené à ajuster les valeurs des paramètres de mouvement et de syn- chronisation. Ce procédé de travail de la surface d'objets en verre à symétrie axiale convient aussi pour ouvrer du ver- re pour usage courant à surface colorée sur une mince couche superficielle par la technique de lazuration, dotée de permé- abilité optique partielle. REVENDICATIONS 1. Procédé pour ouvrer la surface d'objets en verre au moyen d'une radiation laser infrarouge provoquant une modifi- cation de la perméabilité optique du verre ou une évaporation de la matière du verre ouvré de façon que cette modification corresponde au programme de déplacement de la radiation laser infrarouge incidente, caractérisé en ce que la radiation de laser infrarouge frappe un objet en verre à symétrie axiale de façon que cet objet absorbe ladite radiation dans une cou- che superficielle de 10-7 à 5 mm et en ce que le programme de déplacement de la radiation de laser incidente est électrique- ment commandé "en ligne" d'après les surfaces et lignes d'un motif à reproduire, de sorte que la synchronisation entre les mouvements de rotation autour et de translation le long de 1' axe de symétrie du motif et de l'objet en verre à symétrie axiale ouvré est nécessairement maintenue. 2. Procédé pour ouvrer la surface d'objets en verre au moyen d'une radiation laser infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité maximale de la radiation laser est dynamiquement localisée dans l'espace sur la zone superficielle de l'objet à symétrie axiale ouvré. 3. Agencement pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un laser (1) comportant un ré- sonateur, un opercule (2), une logique externe (3), une len- tille (8), une buse à gaz (10), un mécanisme de serrage (13), des dispositifs moteurs d'entraînement en rotation (12) et en translation (18) , caractérisé en ce que la sortie du laser est électriquement reliée "en ligne", pour établir et interrompre la décharge électrique dans le résonateur, avec un capteur optique (21) décelant un motif décoratif par l'intermédiaire d'un amplificateur, d'un générateur de fréquence et d'un com- parateur, de sorte que le motif décoratif est placé sur un corps (20), avantageusement sous la forme d'une image photo- graphique du décor. 4. Agencement de mise en oeuvre du procédé selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que les dispositifs moteurs d'entraînement en rotation (12) et en translation (18) sont reliés à un dispositif copieur (15) agissant pour localiser le foyer de la lentille (8) sur la surface de l'objet en verre à symétrie axiale (11). 5. Agencement de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le corps (20) de sup- port du motif décoratif a la forme de l'objet en verre à sy- métrie axiale ouvré. 6. Agencement de mise en oeuvre du procédé selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que le corps (20) de suppor- du motif décoratif a la forme d'un cylindre, dont le diamètre est approximativement égal au diamètre moyen de l'objet en verre à symétrie axiale ouvré. 7. Agencement de mise en oeuvre du procédé selon la re- vendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositi d'évacuation par succion (16) situé près du foyer de la len- tille. t a f 8. Agencement de mise en oeuvre du procédé seloh la re- vendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un premier dispositif moteur (12) d'entraînement en rotation de l'objet en verre à symétrie axiale et un troisième dispositif moteur (19) d'entraînement en rotation du corps (20) portant le mo- tif décoratif, lesdits dispositifs moteurs étant constitués par des moteurs électriques, tandis que le second dispositif moteur (18) d'entraînement en translation peut aussi être commandé par fluide sous pression. 9. Agencement de mise en oeuvre du procédé selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que les mécanismes de serra- ge (13) occupent pour l'insertion et l'extraction des objets en verre des positions différentes de celle que le mécanisme de serrage occupe pendant l'interaction de la radiation laser avec l'objet.