Brevet FR2579974A1 — publié le 19861010

1. La présente invention concerne un procédé de coupe du verre par faisceau laser. Lorsqu'un article en verre creux doit être fabri- qué par moulage par soufflage en utilisant un moule en pate ou un moule en fonte, il y aura production d'une calotte inuti- le, et il faudra couper cette calotte pour la finition de l'ar- ticle. Un procédé de coupe de la calotte est le procédé par brû- lage, dans lequel l'article en verre est chauffé dans un brû- leur en forme d'anneau entre l'étape de moulage et un proces- sus de recuit, dans le but de fondre le verre et amener la calot- te à tomber sous l'effet de la pesanteur, ce qui permet de l'éli- miner. On utilise également le procédé à rupture, dans lequel l'article en verre est soumis à un processus de recuit avec sa calotte toujours présente, puis on trace au diamant une ligne autour, à la suite de quoi, la flamme d'un brûleur à gaz est appliquée à la région contenant la ligne venant d'être tracée afin de la soumettre à un choc thermique. Cela provoque la rupture de la calotte et après polissage du bord tranchant avec un abrasif, celui-ci est chauffé jusqu'au point de fu- ZD sion avec la flamme d'un brûleur à gaz de manière à exécuter une 2. étape de polissage à la flamme afin d'aplanir le plan de dé- coupe tout en conservant dans la mesure du possible la forme du bord. La première méthode est principalement utilisée en liaison avec un moulage effectué dans une production en masse, alors que la seconde sert à la confection des produits soufflés à la bouche. Récemment, on a demandé sur le marché des produits en verre avec une forme des bords découpés similaire à celle obtenue avec les méthodes d'enlèvement de calotte par rupture, et celles-ci ont donné naissance à des procédés o la majeure partie de la calotte est enlevée en suivant la méthode de brûlage, puis le produit en verre est soumis au procédé de rupture à la suite d'une étape de recuit, de manière à enle- ver totalement la calotte et à donner à la forme de la section en coupe du bord découpé un fini similaire à celui que permet le procédé avec rupture. La forme en coupe du bord sera appro- ximativement arrondie dans le cas du procédé avec brûlage et davantage rectangulaire dans le cas du procédé avec ruptu- re. La fabrication des articles en verre en utilisant le procédé avec rupture nécessite des machines compliquées et on a à faire face à divers problèmes de fonctionnement, d'entretien, de fourniture de pièces détachées et de répara- tion. La main d'oeuvre nécessaire est considérable pour régler la machine afin de produire un produit fini ayant des dimen- sions données, d'o l'augmentation des coûts de production et l'abaissement du rendement. Un autre procédé connu pour enlever une calotte fait appel à un faisceau laser pour découper l'article en verre. Lorsaue l'article en verre à découper se trouve à la tempéra- ture ambiante, comme le décrit la demande de brevet japonais publiée ne Sho 57-209838 (demande de brevet américain n 249854 du 1er avril 1981), on projette un faisceau laser sur la surface de l'article en verre tout en le soumettant à un déplacement relatif le long de la surface, ce qui a pour effet 3. de vaporiser le verre sur une certaine partie de son épais- seur alors que le reste de l'épaisseur est chauffé à une tempé- rature supérieure à sa température de recuit. De cette façon, l'article en verre peut être découpé pour présenter une surface régulière le long d'une ligne désirée sans être brisé par le choc thermique dû à l'irradiation du faisceau laser. En même temps, un jet de gaz est dirigé vers le foyer du fais- ceau laser, ce qui a pour effet de détacher et enlever le verre fondu de sorte que le laser peut procéder à la coupe de l'épaisseur totale. Ce procédé requiert le contrôle minu- tieux et la stabilisation de facteurs tels que l'énergie du faisceau laser,la vitesse relative de déplacement du faisceau laser et de la surface en verre, l'épaisseur de l'article en verre etc.; par conséquent, bien qu'efficace pour des feuil- les en verre ayant une épaisseur uniforme, il est difficile d'effectuer une coupe parafite d'articles en verre creux dont l'épaisseur varie le long de la ligne de coupe. Il en résulte qu'il faut éloigner de l'intérieur de l'article le verre fondu qui a été soufflé par le jet de gaz, de façon que le verre fondu n'adhère pas à la surface intérieure de l'article. Le procédé de coupe par laser pose des problèmes tels que son domaine d'application est considérablement limi- té et qu'il ne constitue pas une méthode de coupe entièrement satisfaisante. Dans le procédé de coupe par laser décrit dans le brevet japonais n Sho 46-24989 (demande de brevet américain n 691883 du 19 décembre 1967), on doit affronter le problè- me que la coupe se produit souvent dans des direction inat- tendues à cause de la rupture due au choc thermique provoquée par l'irradiation du faisceau laser, et aussi que le bord de coupe comportera une surface irrégulière à encoches, ce qui nécessite un polissage ultérieur dans le cas d'un article en verre. D'autre part, dans le cas o le produit en verre est préchauffé à une température proche de son point de ramol- ?5 lissement, comme décrit dans le brevet japonais Sho 54-8487 4. (brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 885 943), si la zone cible du faisceau laser sur la surface en verre est trop pe- tite, le verre peut être localement découpe, mais les parties découpées sont enclines à se fondre les unes dans les autres: par conséquent, les vitesses relatives de déplacement du fais- ceau laser et de la surface en verre doivent être liées à l'énei gie laser et à l'épaisseur du produit en verre. La fusion des parties découpées pose donc un problème si les conditions de fonctionnement ne sont pas précisément uniformes; de plus, o10 des bulles d'air peuvent être emprisonnées à la partie découpée, ce qui crée un défaut de qualité. Par conséquent, ce procédé n'est également pas satisfaisant pour la fabrication d'articles en verre. Un objet principal de la présente invention est un procédé de coupe du verre en utilisant un laser, généralement un laser C02, d'une manière telle que la découpe peut être achevée en un laps de temps très court, et qu'en même temps on peut obtenir un profil désiré pour le bord de coupe. Par conséquent, la présente invention prévoit un n rocédé de coupe du verre par un faisceau laser de manière a effectuer un chauffage local du verre, dans lequel la zone du verre devant être découpée est maintenue à une températu- re élevée, inférieure au point de ramollissement du verre, et à la suite de l'enlèvement de cette partie du verre, celui-ci 23 est de nouveau irradié avec le faisceau laser pour en effectuer le "poli naturel". Le terme "poli naturel" qu'on utilise dans ce mémoire signifie une irradiation répétée du plan de coupe avec un faisceau laser après chute de la calotte afin d'obtenir une surface régulière par tension de surface. Dans la présente invention, le faisceau laser élève la température de la ligne de coupe à une valeur supérieure à la température de fluidisation, et la force de traction appliquée à la zone de découpe par la pesanteur ou de façon forcée effectue rapidement la découpe. L'irradiation de la ligne de découpe avec le faisceau laser est poursuivie de manière à la réchauffer, de sorte qu'une surface de coupe, 5. proche d'une forme rectangulaire ou d'une forme ronde, peut être obtenue de manière sélective tout en donnant un bord régulier. Lorsqu'on execute le procédé de la présente inven- tion, il est préférable qu'un courant gazeux auxiliaire soit dirigé sur la région à découper pendant son irradiation par laser, et dans le cas de la fabrication d'un article en verre creux (tel qu'un verre à boire sans pied), ce courant gazeux auxiliaire est avantageusement dirigé à l'intérieur de l'arti- cle au moins au cours de son irradiation par le faisceau laser. De cette façon, on peut empêcher le blanchiment de la surface de l'article en verre par dépôt de verre vaporisé, et de plus le courant gazeux peut aider à la fabrication du profil requis au bord découpé. Un brûleur à gaz est avantageusement utilisé pour chauffer la zone de découpe pendant l'irradiation laser,de ma- nière à faciliter l'opération de découpe. En outre, des brû- leurs à gaz peuvent être utilisés pour préchauffer le verre et le porter à une température élevée avant son irradiation et pour minimiser le choc thermique suivant l'étape de découpe. Plus spécialement lors de la fabrication d'un arti- cle en verre creux, le verre à couper doit être maintenu dans un mandrin rotatif et au cours de l'irradiation par la- ser, le verre est animé d'un mouvement de rotation. De cette façon, la zone de découpe sera soumise de manière répétée à l'irradiation par le faisceau laser jusqu'à l'achèvement de la découpe. La présente invention sera bien comEprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci- joints dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique de côté d'un dispositif de coupe d'article en verre par faisceau laser agencé de manière à exécuter le procédé de la présente inven- tion; La figure 2 est une vue schématique en plan d'une partie du dispositif de coupe d'article en verre par faisceau 6. laser de la figure 1; La figure 3 est une vue en élévation de côté d'une partie de maintien d'article en verre telle qu'elle est utili- sée dans le dispositif de la figure 1; 3 La figure 4 est une autre vue en élévation de cô- té de la partie de maintien d'article en verre; et Les figures 5(a) et 5(b) sont des vues schématiques en élévation de côté des bords d'articles en verre tels qu'ils sont produits par un procédé de l'art antérieur et par le pro- cédé de la présente invention, respectivement. Un dispositif 1 de coupe du verre par faisceau la- ser, représenté en figure 1, comprend un arbre principal 2, supporté à son extrémité inférieure par un socle 3, l'arbre étant accouplé à un dispositif approprié (non représenté) à l'intérieur du socle pour en effectuer la rotation par inter- mittence. L'extrémité supérieure de l'arbre 2 est accouplée à une table tournante 4,l'agencement étant tel que l'arbre 2 peut être animé d'un mouvement de rotation par intermittence à partir du dispositif situé à l'intérieur du socle 3, d'o l'obtention d'une rotation intermittente de la table tournan- te 4 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (X) com- me représenté en figure 2. La table tournante comporte une multitude de parties 5 de support d'article en verre. Chaque partie 5 de support d'article en verre com- porte un arbre auxiliaire 6 muni d'une partie auxiliaire 7 d'entraînement en rotation (par exemple, un moteur électri- que) monté sur la table tournante 4, de sorte que l'arbre 6 peut être animé d'un mouvement.de rotation de même sens que la table 4 - c'est-àdire dans le sens inverse des aiguilles d'une montre vu en figure 2. L'extrémité inférieure de l'ar- bre auxiliaire 6 comporte sur son dessus un mandrin sous vi- de 8, mandrin dans lequel le vide est fait ou qui est pressu- risé avec de l'air par une pompe à vide (non représentée) sui- vant un trajet de circulation 9 s'étendant dans l'arbre auxi- aire 6, comme représenté en figure 3. De cette manière, un 7. article en verre peut être maintenu par le mandrin ou être libéré de ce dernier. L'article en verre 10 a son extrémité supérieure - c'est-à-dire, par exemple, le fond d'un verre à boire sans pied devant être fabriqué - maintenue par le mandrin 8 alors que l'extrémité inférieure forme une calotte 11. La calotte 11 doit être séparée à la ligne de coupure 13 et peut tomber na- turellement à l'issue de la coupe, ou être découpée tout en étant tirée vers le bas par un mandrin 12 au moyen, par exem- ple, d'une pression hydraulique ou pneumatique ou d'un ressort. On procèdera maintenant à la description du cas o un article en verre (verre sans pied) 10A doit être fabriqué à partir d'un verre présentant une calotte, la calotte étant enlevée par le dispositif de coupe 1, comme représenté en figures 1 et 2. L'article en verre 10, ayant un diamètre d'embou- chure de 60 mm, une épaisseur de la paroi supérieure de 1,4 mm et une calotte toujours présente, est recuit et monté sur le dispositif 1 à- la position initiale A (figure 2). La partie inférieure de l'article 10 est dirigée vesr le haut et maintenue en position par le mandrin sous vide 8. L'article principal 2 est alors mis en marche pour provoquer l'avance d'un pas de la table tournante 4 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (X), de sorte que l'article en verre 10 avec sa calotte est amené jusqu'au pos- te de préchauffage B. En même temps, l'arbre auxiliaire 6 est mis en rotation, dans le même sens (sens inverse des ai- guilles d'une montre X). Un autre objet en verre peut alors être monté sur le mandrin sous vide à la position initiale A. Sur le socle 3 sont montés des brûleurs de préchauf- fage 16 et 17, disposés de manière à chauffer les articles 10 présents respectivement aux positions B et C, dans les par- ties des articles o la calotte doit être découpée (autour de la ligne 13). Un article 10 est ainsi préchauffé à la posi- tion B, et après une nouvelle avance d'un pas de la table 8. tournante 4, est de nouveau chauffé à la position C jusqu'à environ 500 C, l'article étant animé d'un mouvement de rota- tion pendant le chauffage. Le brûleur 17 doit amener la tempé- rature du verre à une valeur proche de son point de ramollis- sement, mais inférieure à ce point. Une autre avance d'un pas de la table tournante 4 a pour effet d'amener le verre chauffé à la position D du fais- ceau laser. Un dispositif 18 de génération de faisceau laser fournit un faisceau laser 19 qui est réfléchi par des miroirs 20 et passe par une lentille-condenseur 21, le faisceau étant dirigé sur la ligne de coupe située entre l'article 10A et la calotte 11. L'article est soumis à une rotation d'environ 500 tours/minute et conserve la chaleur provenant des étapes précédentes tout en étant irradié par le faisceau laser. La température de l'article 10 avec sa calotte sera élevée loca- lement jusqu'à une valeur supérieure à la température de flui- disation du verre par l'irradiation laser, typiquement pen- dant une durée d'environ 3 secondes, puis la calotte tombera sous l'effet de la pesanteur. De cette manière, on obtient un article fini lOA (verre). A ce moment-là, du gaz auxiliaire de soufflage 22 est introduit à partir d'une bouteille 24 par l'intermédiaire d'un ajutage 23 supporté par le socle 3 en pouvant être animé d'un mouvement de va-et-vient dans le sens vertical. Le gaz auxiliaire peut être n'importe quel gaz inerte approprié, dont la température doit être inférieure au point de ramollissement du verre. Le plan de coupe du verre peut être finement irrégu- lier, mais par chauffage de la ligne de coupe 13 avec le fais- ceau laser 19 pendant une seconde environ après la chute de la ?O calotte pour un "polissage par flamme" du bord et en même temps par poursuite du soufflage avec le gaz auxiliaire, on peut éliminer ce type d'irrégularité. De cette façon, le plan de coupe 13A peut devenir régulier. De plus, en même temps que l'irradiation avec le faisceau laser, une partie entou- rant la zone coupée peut être chauffée avec un brûleur 26 9. pour accélérer le polissage du plan de coupe. Le verre sans pied fini est prélevé à la position suivante E lors d'une nouvelle avance de la table tournante, o la contrainte thermique est réduite par un brûleur 25, et lors de l'avance ultérieure de la table tournante, le verre est acheminé jusqu'à une position d'enlèvement F. Là, le ver- re 10A découpé suivant le plan 13A désiré est enlevé de l'appareil. On remarquera que toutes les fois qu'il y a arrêt de la table tournante, un verre avec calotte est monté sur un mandrin pendant la durée de séjour à la position initiale A, et simultanément un verre terminé est enlevé de la posi- tion F. La zone de coupe du verre 10 avec la masselotte est chauffée par les brûleurs 16 et 17 jusqu'à une température d'environ 500 C à 700 C dans ce procédé de fabrication avant l'irradiation au laser. Cette zone est alors irradiée avec le faisceau laser, et la partie découpée 13 sur le verre 10 avec sa masselotte toujours présente conserve la chaleur, de sorte que la masselotte 11 est facilement séparée sans produc- tion de fendillements ou de déformations dans le verre 10. En même temps, on peut obtenir un plan de coupe bien formé pour le verre fini. Cependant, on remarquera que si la région de coupe du verre avec la masselotte toujours présente se trouve à une température élevée, même si elle est inférieure au point de ramollissement, grâce à la rétention de la chaleur acquise lors des-étapes préliminaires, on peut omettre le préchauffa- ge du verre 10 avec sa calotte par le brûleur 1 et éventuel- lement par le brûleur 17. Le chauffage du verre fini 10A par les brûleurs à gaz, après irradiation par le faisceau laser pour le chauffage et l'ébarbage de la partie découpée après séparation de la calotte 11, peut aussi être omis lorsqu'il n'y a aucune possibilité de production de fendillements et de déformations. Lorsque le verre 10 avec sa calotte est irradié 10. par un faisceau laser dans le procédé décrit, le gaz auxiliai- re 22 est soufflé dans le verre 10 simultanément à cette irra- diation. On peut ainsi éviter le dépôt des très fines particu- les de verre produites au moment de l'irradiation sur la surfa- ce intérieure du verre 10A. De plus, si les plans intérieur et extérieur du verre sont chauffés avec des brûleurs à gaz, on peut empêcher le blanchiment provoqué par le dépôt dû à l'éva- poration. De plus, à la suite du soufflage du gaz auxiliaire 22 sur le plan de coupe 13A, comme représenté en figure 5(b), on peut éviter la formation d'une forme ronde telle que repré- sentée en figure 5(a) par suite de la tension de surface au mo- ment de la fusion. Le soufflage au gaz sert ainsi à rendre en- core plus régulier le plan de coupe 13A. Dans le procédé venant d'être décrit, la ligne de coupe est soumise à une certaine tension à la suite des for- ces de gravitation qui agissent sur la calotte alors que le ver- re est soumis à un mouvement de rotation et est irradié par le faisceau laser. La tension peut être produite mécaniquement, en utilisant un mandrin de calotte, tel qu'illustré en figure 3, le procédé étant par ailleurs tels que décrit. Dans chaque cas, il est possible d'obtenir une diminution du temps nécessaire à la coupe grâce à la force de traction appliquée à la ligne de coupe du verre pendant l'irradiation par le faisceau laser. Alors que l'art antérieur classique dépendait de l'évapora- tion de la partie coupée et de la tension de surface du verre fondu, l'application d'une force de traction au verre fondu à la ligne de coupe facilite la découpe (séparation) ce qui permet de réduire le temps nécessaire à la coupe. La description précédente a été faite en liaison avec un procédé de fabrication dans -lequel la table tournan- te 4 est soumise à un mouvement intermittent de rotation et présente une multitude de parties 5 de maintien d'article en verre qui sont placées en forme d'anneau. Dans un autre agen- cement, les brûleurs de préchauffage, Irappareil à faisceau laser et les brûleurs de préchauffage peuvent être placés 11. dans l'ordre correct entre la position initiale et la posi- tion de prélèvement dans un convoyeur linéaire entraîné de manière appropriée pour exécuter le même processus que ce- lui décrit précédemment. Alors que le procédé décrit, concernant le cas o une surface à couper a une forme proche d'une forme rectan- gulaire, il est facile d'obtenir une forme arrondie du plan de coupe, comme représenté en figure 5(a), le cas échéant. Par exemple, cela peut être effectué en contrôlant les condi- tions de chauffage du plan de coupe du verre par un moyen permettant d'augmenter le temps d'irradiation du faisceau la- ser à l'issue de la coupe, ou en renforçant le chauffage du brûleur à gaz effectué simultanément à l'irradiation. La présente invention peut être utilisée pour di- verses sortes d'articles en dehors de la verrerie pour table. Par exemple, elle peut être utilisée pour des organes en verre ayantdes épaisseurs de paroi relativement petites, tel- les que des corps tubulaires, des matériaux en feuille, une bouteille, un récipient de laboratoire, du verre d'éclaira- ge, etc. On remarque que dans les exemples du procédé de coupe du verre de la présente invention venant d'être décrits, on peut couper les articles en verre dans un temps inférieur à ce qu'on obtenait précédemment, et en même temps on peut obtenir facilement un plan de coupe ayant la forme désirée et présentant une surface régulière. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 12. REVENDICATIONS 1 - Procédé de coupe du verre en utilisant un faisceau laser pour effectuer un chauffage local du verre, caractérisé en ce que la partie du verre (13) devant être coupée est maintenue à une température élevée audessous du point de ramollissement du verre, le verre est alors irradié de façon répétée par un faisceau laser (19) le long de la li- gne de coupe requise tout en appliquant une force de traction (12) à la partie devant être coupée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à la suite de l'enlèvement de cette partie, le bord du verre (13A) est de nouveau irradié avec le faisceau laser de manière à en effetuer le polissage naturel. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la reven- dication 2, caractérisé en ce qu'un courant de gaz auxiliai- re (22) est dirigé sur la partie à découper pendant son irra- diation par laser. 4 - Procédé selon la revendication 1, la revendi- cation 2, ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'on utili- se un brûleur à gaz (26) pour chauffer la partie de découpe pendant son irradiation par laser. - Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est effectué de façon que les forces de gravitation agissant sur la partie du ver- re devant être découpée appliquent la force de traction à la région coupée pendant l'irradiation du laser. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, dans lequel le verre (10) est retenu dans un premier dispositif de maintien (8), la partie à découper l'est dans un second dispositif de maintien (12) et lors de l'irradiation par laser, une force de séparation est appli- quée aux deux dispositifs de maintien de manière à exercer une force de traction sur la partie découpée. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le verre à couper est 13. maintenu sur un mandrin rotatif (8) et pendant l'irradia- tion par laser le verre est animé d'un mouvement de rota- tion, d'o une soumission répétée de la partie découpée (13) du verre à l'irradiation par le faisceau laser. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce qu'un article en verre creux (10) est soumis à l'opération de coupe par laser (19) de ma- nière à en enlever la calotte (11) produite lors de l'opéra- tion de soufflage du verre. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractéri- sé en ce qu'un courant gazeux auxiliaire (22) est dirigé dans l'intérieur de l'article en verre au moins pendant son irradiation par le faisceau laser.