Brevet FR2513026A1 — publié le 19830318

" Laser, notamment laser à circulation de gaz 002 " La présente invention concerne un laser notamment un laser à circulation de gaz CO 2 avec un tube de décharge et des supports associés qui sont fixés sur une structure de support. Ce préambule concerne un état de la techni- que comme par exemple divulgué au DE-OS 19 57 139 Dans les installations connues de ce type, le corps de support est en général constitué par une double poutre métallique à section en T Pour recevoir les supports du tube de décharge laser, on soude deux cornières à une extrémité de la double poutre en T et une plaque métallique à l'autre extrémité de la double poutre en T les travaux de soudage sont toutefois coftteux et induisent des con- traintes de soudure qui ne peuvent Otre contr 8 ôlées que de façon insuffisante Pour des dimensions importantes né- cessaires pour les structures de support de tube laser la compensation des contraintes est une opération coft- teuse pratiquement impossible à faire, de sorte que l'apparition des contraintes de soudure pendant ou après le montage aboutit à des difficultés considérables pour l'ajustage du Jeu. Lors de la réunion de deux pièces en acier ou en d'autres matériaux, on rencontre des contraintes supplémentaires lors de l'élévation de température car les matériaux se dilatent différemment L'effet d'un échauffement irrégulier sur une structure de support en particulier sur les supports d'un tube de décharge laser se traduit également par des puissances lasersplus mau- vaises et non stables. Aussi dans les structures de support de type connu, on a un grand nombre de surfaces de liaison ou de points de jonction entre les différentes pièces avec des exigences qui sont partiellement contradictoi- res: réalisation simple avec une situation avantageuse des perçages sur le plan de la fabrication, bonne acces- sibilité des liaisons vissées, grande rigidité, absence de contrainte lors du serrage, élimination des efforts transversaux sur les vis par des décrochages. Le tube de décharge ainsi que les supports doivent être isolés électriquement par rapport à la double poutre en T, ce qui se traduit par des coûts de montage et d'usinage augmentés Il faut également que l'ensemble de la structure de support soit garanti contre la tension de contact (tension par rapport à la masse) Cela néces- site la mise en place de dispositifs de protection ou d'un bottier Un tel bottier est toutefois codteux et demande du travail, car il doit être adapté à chaque structure de support En outre, une structure de support composée d'une double poutre en T et d'un bottier se tra- duit par des forces d'inertie élevées qui entraînent des charges élevées s'appliquant aux organes de guidage de la machine par suite de l'inertie lors des accélérations positives ou négatives en particulier lorsque le laser est utilisé en poste mobile en particulier pour décrire des trajectoires à angle droit pour la découpe de pièces. Pour cette raison, l'utilisation d'une double poutre métallique en forme de T se limite à des longueurs de tubes de décharge relativement faibles (environ 1 mètre) et ne convient que pour des lasers d'une puissance d'environ 500 Watts Pour des puissances lasers plus importantes (dans le domaine du KW) avec des tubes de décharge allant jusqu'à 4 mètres, il est par exemple connu selon le document DE-OS 27 41 737 de pré- voir une structure en treillis métallique léger De telles structures présentent également les inconvénients mentionnés ci-dessus et en particulier du fait de la plus grande longueur,cnnepeut assurer un travail stable du laser. la présente invention a pour but de créer une structure de support pour un laser notamment un laser à circulation de gaz C 02 ayant une puissance supérieure à 1 Kilowatt, structure qui soit peu codteuse à réaliser et permette un travail stable pour un laser d'une puis- sance de préférence de l'ordre du kilowatt. A cet effet, l'invention concerne une structure de support caractérisée en ce qu'elle est de préférence réalisée en matière synthétique renforcée. Suivant une réalisation avantageuse de l'invention, la structure de support en matière synthétique est en forme de bottier. Par la réalisation de la structure-de sup- port en matière synthétique sous la forme d'un bottier qui se compose de deux demi-coquilles, et qui peuvent se réaliser avantageusement sur le plan du coût selon un procédé de couche, on a en même temps la possibilité avantageuse de réaliser une isolation de protection sans nécessiter de dispositifs supplémentaires pour la protec- tion au toucher Pour l'isolation de protection, toutes les pièces que l'on peut toucher et qui en cas d'incident peuvent se trouver à une certaine tension par rapport à la masse, sont en plus de l'isolation de fonctionnement, recouvertes solidement et de façon durable par une matière synthétique de préférence renforcée par des fibres de verre et notamment une résine époxy qui forme la couche extérieure de la structure de support Une sécurité sup- plémentaire vis-à-vis de la tension de contact est formée par la mise à la masse de la couche médiane de préférence en résine époxy renforcée par des fibres de carbone, avec un conducteur de protection Cette couche médiane est elle-même reliée à une couche intérieure du bottier de préférence en résine époxy et qui est également renforcée par des fibres de verre. Pour le renforcement isotropique des dif- férentes couches, les fibres de verre ou les fibres de carbone sont disposées en forme de tissu En outre dans les parois du bottier, il y a des organes de compression et de traction constitués par des bandes de fibres de carbone disposées en zigzag pour recevoir les contraintes. Pour augmenter la résistance dans la direction longitudi- nale, on a prévu des tiges préfabriquées de résine 6 poxy avec des fibres de carbone parallèles aux arêtes longitu- dinales, ces tiges étant prévues au niveau des arêtes longitudinales Les tiges sont de préférence noyées dans la couche médiane. Grce à la réalisation en matière synthé- tique selon l'invention, on arrive à un gain de poids d'au moins 50 % pour le laser à circulation de gaz par rapport auxdispositifsconnus Cela réduit considérablement les charges s'exerçant sur les moyens de guidage de la machine de guidage du laser. Le profilé en caisson fermé, constitué par la coquille supérieure et la coquille inférieure (de pré- férence des demi-coquilles), on a pour un moindre poids, une bonne rigidité à la flexion et à la torsion Une rigidification prévue de façon avantageuse (notamment des membrures) en adaptant le nombre des organes de rigi- dification sans coût supplémentaire aux conditions aux- quelles la siructure de support doit satisfais-e permet d'augmenter la résistance mécanique statique. Dans un laser notamment un laser à circu- lation de gaz, mobile, dê puissance du domaine du kilo- watt, du fait des vitesses élevées (par exemple allant jusqu'à au moins 12 m/min, et qui sont parcourues sui- vant différentes coordonnées (X, Y), la machine de gui- dage portant le laser est soumise à des contraintes dif- férentes Ces efforts dynamiques sont reçus par le bot- tier formant la structure de support les contraintes qui agissent ainsi que la structure de support en matière synthétique renforcée par des couches en forme de tissus de fibres de verre et de carbone et les moyens d'armature n'ont ainsi aucun effet sur le support du tube de d 6 éhar- ge et ne peuvent de ce fait entra Iner aucun déréglage de l'ajustage du résonateur laser Cela garantit la qualité du faisceau laser découplé, quant à la puissance du laser et les paramètres du faisceau laser comme par exemple la densité du faisceau, qui restent constants lorsque de telles forces prennent naissance. les perçages alignés prévus dans les faces frontales de la structure de support, les poutres, les plaques de fixation et les membrures constituent les moyens de support des tubes qui permettent une alimenta- tion vissée, simple de la tête laser et des alimentations en gaz et en eau de refroidissement les fluides qui pas- sent dans des conduites tubulaires traversent directement les têtes lasers par des segments de tube sans nécessiter d'éléments de liaison tels que par exemple des coudes ou des cornières. Comme le bottier y compris le support fait partie des moyens de support du tube de décharge laser et dont les plaques de fixation sont alignées à l'aide d'un dispositif non représenté en détail et sont montées par laminage dans le support se trouvant dans le bottier, on a un montage et un réglage simples des plaques de fixation On arrive également à une fabrication plus stre sur le plan économique pour la plaque de fixation en réduisant les surfaces à usiner et les surfaces de jonction. Ia présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels À la figure i est un schéma d'un laser à circulation de gaz C 02. la figure 2 est une vue en perspective de la demi-coquille inférieure du bo tier. la figure 3 représente le détail A de la figure 2 à échelle agrandie, vu en coupe. la figure 1 montre la structure schématique d'un laser à circulation de gaz 002 portant la référence le laser l O se compose essentiellement de plusieurs segments de tube de décharge laser qui sont fixés dans des supports de tube de décharge 12 montés alignés sur des plaques de fixation 13 et reliées par une structure de support 14 Ia structure de support 14 se compose d'une demi-coquille supérieure 15 et d'une demi- coquille inférieure 16 -Le laser est prévu por une puissance supérieure à 1 kilowatt et présente une longueur de tube de décharge d'environ 2,50 mètres Les autres parties du laser ne sont pas représentées dans un but de simpli- fication la tête de coupe 17 se trouve à l'avant avec un miroir 18 qui renvoie le faisceau laser à la surface de pièce 19. la figure 2 montre de façon plus détaillée un mode de réalisation de la demi-coquille inférieure 16 de la structure de support 14 la demicoquille inférieure qui porte globalement la référence 16, présente intérieu- rement plusieurs organes de renforcement 20 en forme de U Entre les organes de renforcement 20 se trouvent des poutres 21 à section carrée, dans lesquelles sont intro- duites par laminage des plaques de fixation 13 en matière synthétique renforcée par de la fibre de verre, et qui sont alignées et forment des plans de fixation Dans la moitié inférieure de la structure de support 14, fermée par deux parois frontales 23, 24 se trouvent des perçages qui sont alignés et sont prévus sur toute la longueur de la demi-coquille inférieure 16 dans les organes de renforcement 20 et les poutres 21; ces perçages 25 reçoivent les tubes 26 pour la réception et la fixation de conduites d'alimentation non représentées en détail pour le gaz laser (mélange hélium-azote-gaz carbonique) et l'eau de refroidissement Sur le c Oté extérieur 27 du bottier, la demi-coquille inférieure 16 comporte des brides de fixation 28 pour la fixation de la structure de- support 14 sur une machine de guidage du laser, non repré- sentée la demi-coquille supérieure 15 repose sur la bride de fixation 30 de la demi-coquille inférieure 16 par l'intermédiaire de sa bride de fixation 29 (figure 1) réalisée symétriquement à la coquille inférieure 16; les deux demi-coquilles sont de préférence solidarisées par des vis 31 Comme les demi-coquilles 15, 16 sont reliées par une liaison de force et en partie de forme avec jus- qu'à 60 vis, on obtient un profilé en caisson symétrique fermé qui permet un fonctionnement stable du laser. Le détail A de la figure 2 représenté à la figure 3 montre la réalisation schématique de la structure de support 14 selon l'invention la couche 32 tournée vers l'intérieur de la demi-coquille inférieure 16 est en ma- tière synthétique renforcée de fibres de verre et la couche médiane 33 qui est reliée à celle-ci est en ma- tière synthétique renforcée de fibres de carbone La cou- che extérieure 34 du bottier qui est prévuede préférence en plus, est en matière synthétique renforcée de fibres de verre Toutes les couches 32, 33, 34 se composent chacune de plusieurs couches distinctes (couches laminées) super- posées, non représentées en détail, dans lesquelles sont inserrées des fibres de verre ou de carbone en forme de 13026 tissus de préférence en forme de nappes, et dont les fibres sont orientées les unes par rapport aux autres suivant un angle de O , 900 et 450 La couche médiane 33 entoure au niveau des arttes longitudinales 35 les tiges 36, 38 en résine époxy avec une feructure de fibres parallèle aux arêtes longitudinales 35 Sur toute la longueur des brides de fixation 29, 30 de la structure de support 14, il y a du eôté extérieur du bottier 27 des tôles de renforcement 37 enserrées entre des couches de la structure de support 14 et qui évitent d'endomma- ger les brides de fixation 29, 30 lors du serrage des vis et permettent de répartir le couple de traction sur une plus grande surface. De façon préférentielle, la couche médiane 33 comporte des bandes de compression et de traction, supplémentaires non représentées en détail et dont l'orientation des fibres de carbone est en zigzag par rapport aux argtes longitudinales 35. R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDI O ATIONS 1 ) Laser notamment laser à circulation de gaz C 02 avec un tube de décharge et des supports asso- ciée qui sont fixés dans une structure de support, laser caractérisé en ce que la structure de support( 14)est réalisée en matière synthétique de préférence renforcée. ) Iaser selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la structure de support en matière syn- thétique ( 14) est en forme de bottier. 30) Laser selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le bottier se compose de deux coquilles de préférence deux demi-coquilles ( 15, 16). 4 ) Laser selon la revendication 3, carac- térisé en ce que chaque demi-coquille ( 15, 16) se compose de couches de matière synthétique superposées et reliées les unes aux autres, la couche ( 32) située du c 8 té inté- rieur du bottier étant en matière synthétique renforcée par de la fibre de verre, et est reliée à la couche mé- diane ( 33) en matière synthétique renforcée par de la fibre de carbone, celle-ci étant de préférence en liai- son avec la couche extérieure du bottier ( 34) notamment en matière synthétique renforcée par de la fibre de verre. ) Laser selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 4, caractérisé en ce que le bottier ( 14) est en forme de caisson parallélépipèdique et au niveau des arêtes longitudinales ( 35), le bottier comporte des tiges ( 36) avec une structure de fibres de carbone paral- lèle aux arêtes longitudinales ( 35) et de préférence les tiges ( 36) sont enrobées dans la couche médiane ( 33). 60) Iaser selon l'une quelconque des reven- dications 4 et 5, caractérisé en ce que dans les diverses couches ( 32, 33, 34) les fibres de verre ou les fibres de carbone sont inserrées sous forme de tissus. 7 ) laser selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 6, caractérisé en ce que la couche médiane 13026 ( 33) contient en plus des fibres de carbone également des organes de traction ( 38) et des organes de compression ( 39) qui s'étendent en zigzag par rapport à la direction longitudinale du bottier. 80) Iaser selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 7, caractérisé en ce que les demi-coquilles ( 15, 16) comportent des organes de renforcement ( 20) ainsi que des poutres ( 21) en matière synthétique ren- forcée de fibres de verre pour les supports ( 12, 13) du tube laser.