Brevet FR2627599A1 — publié le 19890825

La présente invention concerne l'usinage par faisceau laser et en particulier le perçage de trous de formes déterminées dans une pièce usinée. Le procédé classique de perçage de trous ayant des formes déterminées, en particulier des trous de formes irrégulières, consiste à utiliser l'usinage par décharge électrique qui peut être utilisé uniquement pour des pièces usinées conductrices de l'électricité et qui exige également une électrode consommable. Le brevet US-4118109 montre un système optique pour commander la direction d'un faisceau de rayonnement qui utilise deux prismes en forme de coins coaxiaux, pouvant tourner indépendamment l'un de l'autre, afin de diriger le faisceau dans un cône d'un angle au sommet prédéterminé. Ce système ne permet pas la commande indépendante de l'emplacement du point d'impact du faisceau et de l'angle. Ce brevet ne concerne pas non plus la focalisation du faisceau opdique. Le brevet US-4079230 décrit un système pour effectuer un balayage au moyen d'un faisceau optique en travers d'une pièce à usiner, et ce en utilisant une paire de prismes en forme de coins tournant dans des directions opposées, à la même vitesse, afin d'amener le faisceau à effectuer un balayage, suivant une ligne droite, en travers de la pièce à usiner. L'invention concerne un système optique pour percer des trous dans une pièce à usiner comprenant une paire de prismes rotatifs séparés l'un de l'autre d'une distance variable; et un dispositif de focalisation. Une caractéristique de l'invention est son aptitude à la commande du déplacement du point focal par rapport à l'axe optique, indépendamment de l'angle. Une autre caractéristique de l'invention est son aptitude à la commande de l'angle d'incidence du faisceau laser focalisé sur la pièce indépendamment du déplacement du point focal par rapport à l'axe. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 représente, en partie d'une manière illustrative et en partie d'une manière schématique, une forme d'exécution de l'invention. La figure 2 illustre la variation de l'angle d'incidence d'un faisceau sur une pièce à usiner. La figure 3 représente un système utilisant l'invention. Si on se réfère maintenant à la figure 1 on voit qu'un laser 100 produit un faisceau optique 110 dirigé suivant un axe 112. Ce faisceau est transformé par un système optique indiqué dans son ensemble par la référence 200 puis il est focalisé, par une lentille ou un miroir indiqué par la référence 300, en un point focal 120, sur ou dans une pièce à usiner 400. Il est bien connu dans la technique qu'un faisceau laser, lorsqu'il est focalisé d'une manière appropriée, provoque la fusion et/ou la vaporisation du matériau de la pièce à usiner, afin de produire un trou. Un point focal fixe forme un trou par suite de la fusion du matériau de la pièce à usiner sur une distance, dans le sens transversal par rapport à la direction du faisceau, qui est déterminée par la conductivité de la pièce à usiner. Cependant si le trou doit avoir une forme particulière exigeant de se trouver suivant un certain angle par rapport à l'axe du faisceau ou de présenter une forme complexe, il est alors nécessaire de manipuler le faisceau d'une certaine façon ou de manipuler la pièce à usiner. Il est préférable de maintenir la pièce à usiner fixe et de manipuler le faisceau lorsque la géométrie peut être produite plus simplement par un mouvement des composants optiques, comme cela est le cas de trous cylindriques, coniques et bi-coniques. Les systèmes optiques suivant la technique antérieure sont capables de faire décrire à un faisceau une surface conique et de découper ainsi un trou conique dans une pièce à usiner relativement épaisse. Un tel système est illustré dans le brevet US-4118109 dans lequel une paire de primes en forme de coins peuvent être entraînés en rotation indépendamment l'un de l'autre afin de mettre en position le faisceau n'importe o dans un volume conique ayant un angle au sommet égal à la somme des deux angles de déviation des deux prismes. Ce système est incapable de contrôler la position o le faisceau vient frapper la pièce à usiner indépendamment de l'angle suivant lequel le faisceau tombe sur la pièce. En particulier il ne peut pas produire un faisceau qui est parallèle à l'axe du faisceau incident, tout en étant décalé par rapport à celui-ci. Par conséquent ce système ne convient pas pour forer un trou cylindrique dans une pièce à usiner. Si on considère maintenant le système optique 200 de la figure 1 on voit qu'un premier prisme 210 qui est supporté dans une monture rotative 212, dévie le faisceau 110 d'un certain angle de manière à l'orienter suivant une nouvelle direction du faisceau 113. Comme il est indiqué par la flèche, la monture 212 peut être tournée en azimut autour de la direction de transmission 112 du faisceau 110, par un dispositif à rotor conventionnel indiqué schématiquement par un bloc rectangulaire auquel est affectée la référence 220. Le rotor 220 peut être constitué, à titre illustratif, par un moteur pas-à-pas conventionnel ou un autre moteur,. en combinaison avec un encodeur, si cela est nécessaire, afin de produire une mesure de l'angle d'orientation du prisme 210. De tels moteurs et encodeurs sont bien connus dans la technique et divers modèles différents sont actuellement disponibles. Un second prisme 240, supporté dans une monture 242 et indiqué d'une manière générale par la référence 235, est placé une distance variable en aval du prisme 210. La monture 242 est supportée par un dispositif de montage 260 qui est incliné d'un certain angle par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe 112. Le dispositif de montage 260 comporte des supports 262 et 264 qui sont fixés rigidement à la monture 212 et qui tournent avec cette monture 212, avec le même azimut, si bien que le faisceau laser se déplaçant suivant la direction 113 vient toujours frapper le centre du prisme 240 quel que soit l'azimut. Le prisme 240 dévie le faisceau 110 d'un second angle, indiqué par b sur la figure 1, afin de produire un faisceau se déplaçant suivant un nouvel angle le long de l'axe 114. L'axe 114 forme un angle par rapport à l'axe du faisceau 112. L'axe 114 peut tourner en décrivant une surface conique d'angle au sommet b par rapport à l'axe 113 du faisceau 110 sortant du prisme 210. Dans les deux positions extrêmes l'axe 114 peut former un angle de valeur (a+b) ou (a- b) par rapport à l'axe 112. Dans la cas particulier o l'on a 2627599 b=-a, c'est-à-dire lorsque le prisme 240 est orienté à 180 par rapport au prisme 210, le faisceau 114 est parallèle à l'axe 112, r est égal à zéro, puisque le faisceau 114 est focalisé sur l'axe 112 à la distance focale de la lentille 300, et l'angle du faisceau est maximal. Un cas particulier concernant la présente invention est celui dans lequel le faisceau 115 sortant de la lentille 300 est parallèle à l'axe initial 112 et alors l'axe 114 doit recouper l'axe 112 au point situé à la distance focale antérieure par rapport à la lentille. - D'une manière générale, lorsque la direction du faisceau laser pénétrant dans la lentille 300 n'est pas parallèle à l'axe optique, le point focal est déplacé à l'écart de l'axe focal 112 d'une distance qui peut s'exprimer approximativement par: r = F tg o F est la distance focale de la lentille 300 et est l'angle de l'axe 114 par rapport à l'axe 112 qui est également l'axe de la lentille 300. La distance le long de 1, 'axe 112, entre la lentille et le point focal, est essentiellement fixée à la valeur F, c'est-à-dire à la distance focale de la lentille, puisque le faisceau laser incident est collimaté. L'orientation de l'axe 115 dépend du point d'intersection de l'axe 112 de la lentille 300 et de l'axe 114 du faisceau pénétrant dans la lentille. Si ces axes se recoupent à une distance, en avant de la lentille, qui est égale à sa distance focale antérieure F, l'axe du faisceau laser focalisé est alors parallèle à l'axe optique. Si la distance entre le point d'intersection et la lentille est inférieure à F, l'axe du faisceau focalisé diverge alors par rapport à l'axe optique. Inversement si les axes se recoupent, 6 2627599 en avant de la lentille, à une distance supérieure à la. distance focale F, le faisceau laser focalisé converge en direction de l'axe. Les situations considérées ci-dessus sont illustrées sur la figure 2 qui montre l'axe 115 du faisceau de sortie parallèle à l'axe de la lentille 300, l'axe 115' divergeant à partir de l'axe 112 et l'axe 115" convergeant vers l'axe 112. Les distances correspondantes du point d'intersection du faisceau incident 114 et de l'axe 112 sont F (distance focale de la lentille 300), I' (inférieure à F) et I" (supérieure à F). Pour une lentille ou un système de lentilles à distance focale donnée le déplacement du point focal par rapport à l'axe optique, c'est-à-dire la distance r, dépend de l'angle C entre l'axe optique 112 et l'axe 114 du faisceau laser. La direction 6 du faisceau laser focalisé est donnée par: tg ô = (F-I) ta c (2) F Un système optique qui permet une variation indépendante de la direction 4 du faisceau laser et de l'emplacement I du point d'intersection de l'axe 112 du faisceau laser avec l'axe optique 114, constitue un moyen pour effectuer une découpe de n'importe quelle forme géométrique à trois dimensions qui peut être décrite avec une ligne de visée le long de l'axe du faisceau focalisé résultant. Ceci peut être réalisé ainsi qu'il est décrit ci-dessous. La figure 3 représente, sous une forme simplifiée, une forme d'exécution de l'invention conçu pour fonctionner en tant que dispositif de perçage d'un trou cylindrique. Le laser 100 et la lentille de focalisation 300 demeurent fixe suivant 7 2627599 un seul et même axe. Le faisceau laser passe à travers deux primes en forme de coins 210 et 240, avant de passer à travers la lentille de focalisation 300. L'angle d'incidence du faisceau laser 114 sur la lentille peut être modifié en faisant tourner le prisme 240 autour de l'axe du faisceau, par rapport au prisme 210, afin d'obtenir le rayon de perçage désiré r. La distance S entre les prismes peut être alors modifiée de telle façon que l'axe 114 du faisceau vienne rencontrer la lentille 300 à une hauteur r par rapport à l'axe de la lentille, ce qui se traduit par l'émission d'un faisceau laser focalisé parallèle à l'axe de la lentille et séparé de cet axe de la distance r. Ensuite, si la paire de prismes ainsi réglés est entraînée en rotation dans son ensemble par le rotor 220, autour de l'axe 112, tandis que le faisceau laser est pulsé d'une manière répétée, on peut percer un trou qui est parfaitement cylindrique. En faisant varier additionnellement la distance S ou en déplaçant l'ensemble des prismes en forme de coins conjointement le long de l'axe par rapport à la lentille il est possible de commander l'angle du faisceau tombant sur le plan focal de telle façon que des trous coniques convergents ou divergents puissent être percés en contrôlant à la fois le diamètre du trou et l'angle du cône. L'espacement S peut être commandé par- un dispositif de translation 250 tel que décrit ci-dessous. La distance 1 entre le prisme 210 et la- lentille 300 peut être ajustée par un dispositif de translation 280, représenté schématiquement sur la figure 1, lequel peut être une tête de fraiseuse ou tout autre dispositif approprié supportant l'ensemble de la monture 212 et du dispositif de montage 260. Le rotor 220, monté sur le dispositif de translation 280, peut être utilisé pour faire 8 2Z627599 tourner l'ensemble des prismes conjointement. La rotation relative des deux prismes en forme de coins, autour de l'axe du faisceau, qui est exigée pour produire un point, dans le plan focal, situé à une distance quelconque désirée r de l'axe 112, est donnée par l'expression suivante: = cos-s ( r2) -1 (3) 2(F tg W)2 dans laquelle ' est l'angle relatif de la rotation des prismes en forme de coins autour de l'axe du faisceau, r est le rayon du cercle dans le plan focal, F est la distance focale de la lentille de focalisation, et W est l'angle de déviation du faisceau laser passant à travers un prisme en forme de coin unique, lorsque les deux prismes en forme de coin ont le même angle de déviation W. Pour maintenir un rayon de sortie dans des plans passant par l'axe de la lentille (méridien>, les prismes en forme de coins doivent être tournés dans des directions opposées de la moitié de l'angle exigé. La position du prisme 210 étant fixée, la distance S entre les prismes qui est exigée pour produire un angle désiré de l'axe 115 du faisceau focalisé par rapport à l'axe 112 de la lentille, est donnée par S = F2tq (5) + r (F-1) (4) F tg (6) -r dans laquelle 5 est l'angle désiré et 1 est la distance entre le premier prisme en forme de coin et la lentille. Pour percer un trou dans une pièce usiner à une distance r du point o l'axe 112 recoupe la pièce, et suivant un angle d'azimut 8 autour de l'axe 112 par rapport à une direction de référence quelconque, tel que le plan de la feuille de papier sur la figure 3, on fait tourner le prisme 210 de telle façon que son axe s'étende suivant un angle e+g/2 et on fait tourner le prisme 240 de telle façon que son axe s'étende suivant un angle E-'/2, o 6 est donné par l'équation (3). Le faisceau 114 pénètre alors dans la lentille 300 en un point à la distance r de l'axe 112 dans un plan passant par cet axe 112 et formant l'angle requis e par rapport à 'la direction de référence. La distance S entre les prismes 210 et 240 peut être ajustée, conformément à l'équation (4), afin de diriger le faisceau 115 sur la pièce à usiner suivant l'angle exigé, angle qui constitue l'angle au sommet du cône formé par le trou percé. La translation de l'ensemble 235 comprenant le prisme 240, le rotor 270 et la monture 242, dans la direction de l'axe 113, est assurée par un dispositif indiqué schématiquement en son ensemble par la référence 250 et qui peut être constitué par un moteur pas-à-pas entraînant une vis ou tout autre dispositif conventionnel. L'orientation angulaire du prisme 240 autour de l'axe 113 et par conséquent l'angle de l'axe 114 par rapport à l'axe 113 sont commandés par l'unité 270 qui est la même que l'unité 220, à savoir un moteur entraînant un train d'engrenages conjointement avec un encodeur afin de lire l'orientation du prisme 240. Dans une forme d'exécution de l'invention donnée à titre illustratif, le laser 100 est un laser du type NdYAg, les prismes 210 et 240 sont réalisés en silice fondue et ont un angle de 20 , la distance typique entre la lentille et le prisme le plus proche est de 2,54 cm, la distance entre les deux prismes est de 10,2 cm et la distance focale de la lentille est de 10,2 cm. Avec un système tel que representé sur la figure 3 la distance entre la lentille 300 et le point focal peut &tre CIdifjie eégalemenet en faisant coulisser la totalité de l'ensermble des prismes en forme de coins. Il est possible cd'obternir un troul bi-conique en modifiarnt ou délacart i'ensemble des Prismes en forme de coins le long de l'axe, Par rapport à la lentille. Il possible de contrôler l'angle de l'axe 115 par rapport à l'axe 112, lequel détermire l'angle au sommet d'un trou conique. Lin trou ayant une forme ctjniclue 1 d'angle auL sommet de 10 , un diamètre de col de 0,5 mm et uni position du col à 1,27 mm de la surface frontale de la pièce.à usiner a été formé dans des alliages de cobalt en faisant tourner le prisme 240 par rapport au prisme 210, afin de d&couper la surface conique exigée. Si un trou bi-conique doit être Percé avec un rayon d'entrée r et avec un col situé à une distance T de la surface de la pièce à usiner, laquelle est située à son tour à urne distance F de la lentille 300, l'espacement S entre les prismes et la distance 1 entre le prismre antérieur et la lentille 300 sont données par l'équation ci-dessous: ClS2 -C2(Sl) + 212 = r2 ( F+T2) [tg (W)]2 T o Ci = 1 + (1 + cos)2 + sin2 C2 = 1 + COS Le système de la figure 3 a été utilisé avec le laser , le prisme 210 et la lentille 300 situés sur le même axe. La valeur de r a été sélectionnée par le mouvemert du prisme. L- faisceau 115 a été aligné, par rapport à l'axe 112, avec l'angle au sommet correct du trou. afin de recouper l'axe 112 il à la profondeur de col désirée T en ajustant l'espacement S entre les prismes. Le rotor 220 a été utilisé pour découper les trous. Un trou conique convergent ou divergent peut être découpé, avec la même rotation, en modifiant l'espacement S. Un trou -à face latérale parallèle ayant n'importe quelle forme de section droite peut être découpé en établissant r par la rotation du prisme 240 tout en ajustant simultanément S ou 1 de telle façon que l'axe 115 demeure parallèle à l'axe 112, et en utilisant le dispositif de translation 280 et le rotor 220 pour tracer le profil du trou en coordonnés polaires. 2627599' REVENDICATIONS 1.- Système optique pour diriger, d'une manière prédéterminée, un faisceau laser sur une pièce à usiner comprenant des premier et second prismes en forme de coin (210,240) espacés l'un de l'autre, en des première et seconde positions de prisme le long d'un premier axe (112), pour dévier en série le faisceau laser (110), ces deux prismes ayant respectivement des première et seconde orientations en azimut, des moyens (270) pour faire tourner le second prisme en forme de coin (240) jusqu'à une position angulaire prédéterminée, autour d'un second axe de prisme (112") parallèle au premier axe (112), en définissant ainsi une position angulaire relative des premier et second prismes en forme de coin (210, 240), une lentille (300) ayant une distance focale et qui est située à une distance prédéterminée de moyens de focalisation, le long du premier axe (112), afin d'intercepter le faisceau laser à une distance d'interception, par rapport au premier axe (112), qui dépend de ladite position angulaire relative, et suivant un angle d'interception prédéterminé, par rapport au premier axe (112), après que le faisceau laser a été dévié par les premier et second prismes en forme de coin (240) , cette lentille focalisant le faisceau laser vers une position focale prédéterminée, caractérisé en ce que l'un au moins (240) des premier et second prismes (210,240) est relié à des moyens de déplacement (250) prévus pour déplacer le prisme (240) parallèlement au premier axe (112) si bien que l'une au moins des positions des premier et second prismes (210,240) peut être modifiée par rapport à l'autre des positions des premier et second prismes (210,240), afin de définir un déplacement relatif du prisme (240) le long du premier axe (112), de telle façon que ladite distance d'interception puisse être changée par une variation du déplacement relatif du prisme (240) aussi bien que par une variation de la position angulaire relative. 2.- Système optique suivant la revendication 1' caractérisé en ce que ladite position angulaire relative est égale à cent quatre-vingts degrés si bien que ledit angle d'interception prédéterminé est sensiblement égal à zéro, le faisceau laser tombant sur la lentille (300) en étant pratiquement parallèle au premier axe (112) et la position focale étant située, sur le premier axe (112), à une distance de la lentille (300) qui est égale à la distance focale. 3.- Système optique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le second prisme en forme de coin (240) est tourné dans une position angulaire relative prédéterminée et le déplacement relatif du prisme est ajusté à une valeur prédéterminée de telle façon que le faisceau laser sorte de la lentille (300) en étant parallèle au premier axe (112) et décalé par rapport à celui-ci d'une distance prédéterminée (r). 4.Système optique suivant la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de rotation unitaire (220) afin de faire tourner les premier et second prismes en forme de coin (210,240), dans leur ensemble, autour du premier axe (112), si bien que la position focale du faisceau laser peut être utilisée pour percer un trou cylindrique centré sur le premier axe (112). 5.- Système optique suivant la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de - 2627599 translation unitaire (280) afin de déplacer en translation les premier et second prismes en forme de coin (210,240), dans leur ensemble, le long du premier axe (212) si bien qu'un trou à face latérale parallèle peut être découpé dans une pièce à usiner par un ajustement répété des moyens de rotation unitaire (220) et des moyens de translation unitaire (280). 6.- Système optique suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de rotation unitaire (220) pour faire tourner les premier et seçond prismes en forme de coin (210,240), dans leur ensemble, autour du premier axe (112), ces moyens étant adaptés de manière à découper, dans une pièce à usiner, un trou conique ayant un angle au sommet prédéterminé, et la position angulaire relative et le déplacement relatif du prisme (240) sont réglés à des valeurs prédéterminées telles que le faisceau laser recoupe le premier axe (112) suivant un angle prédéterminé qui est égal à la moitié de l'angle au sommet et en une position focale prédéterminée située sur l'axe à l'endroit d'une position de col du trou conique, si bien que le trou conique peut être découpé par rotation des moyens de rotation unitaire (220). 7.- Système optique suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de translation unitaire (280) pour déplacer en translation les deux prismes en forme de coin (210,240), dans leur ensemble, le long du premier axe si bien que dans une pièce à usiner peuvent être percés des trous ayant une distance variable le long du premier axe (112), en étant décalés à une distance variable du premier axe (112) et avec un angle d'intersection variable avec cet axe, en jouant sur la distance du second prisme (240) parmi les deux prismes en forme de coin (210,240) par rapport à la lentille (300), sur ledit déplacement relatif du prisme et sur ladite position angulaire relative.