Brevet FR2647049A1 — publié le 19901123

La présente invention,concerne un procédé de découpe de materiaux,en feuilles ou non et plus particulièrement de matières sensibles à l'eau. Il est connu que l'on peut découper des matériaux divers par l'action d'un jet,créé par pressurisation d'un liquide à une pression élevée,couramment de 500 à 5000 bars,et par son éjection à travers un orifice de faible diamètre, Le liquide utilisé est généralement de l'eau,parfois additionnée de polymères. Des poudres abrasives peuvent etre mélangées à l'eau pour augmenter le pouvoir érosif du jet. Il est aussi connu que de la glace peut Aetre utilisée pour son effet mécanique lorsqu'elle est incorporée à un jet de nettoyage, Dans certaines applications,l'eau peut être genante.Elle peut polluer les objets découpés.Elle peut modifier la structure des matériaux par une action chimique,une dissolution de certains constituants tels que les colles,les apprets.C'est le cas des papiers,des cartonnages,des bois.C'est aussi le cas ,du chocolat, des patisseries,des sucreries,des pates alimentaires, par exemple. La présente invention,propose une solution à ces problèmes de découpe. Selon le procédé décrit ,le jet est formé par un fluide, dont la température d'ébullition est inférieure ou voisine de la température ambiante de travail.Comprimé à haute pression,ce fluide est à l'état liquide et le jet dense qu'il forme au travers d'un ajutage,a des propriétés mécaniques sinilaires à celles d'un jet d'eau.La pression dynanique,géneree par la vitesse,provoque au contact d'un materiau,un effet de coupe.L'énergie cinétique du fluide est partiellement utilisée à la destruction du matériau qui est coupé.Le fluide volatil se vaporise .I1 refroidit le matériau, ce qui est le plus souvent bénéfique pour la coupe. La matière est fragilise et parfois consolidée et rigidifiée par le froid.La vaporisation crée des bulles qui participent à l'érosion par effet de cavitation. Le liquide volatilisé, est évacué par aspiration.Par son élimination rapide,on évite les inconvénients des effets chimiques et mécaniques que l'on observe avec l'eau.La vaporisation favorise aussi l'amortissement mécanique du jet.Dans le cas de l'eau,ce problème nécessite l'installation de systèmes mecaniques, d'obstacles ou de chicanes et de forts niveaux de bruit accoustique sont générés. Le choix du liquide se fera en fonction des conditions de coupe à obtenir,donc de la nature du materiau.Le liquide devra être compatible avec ce matériau sur le plan physico-chimique.Il devra etre,le plus souvent, ininflammable et non toxique. Ce fluide pourra etre un corps pur,ou un mélange de corps purs azéotrope ou non. Dans certaines applications ,lorsque la récuperation intégrale du gaz pourra etre assurée,des fréons ou des mélanges de freons seront utilisés.Ce sera le cas des installations de découpe où le jet pourra opérer dans une enceinte close, du type boite à gants par exemple, avec une aspiration totale du gaz De tels équipements pourront etre utilisés pour des découpes fines, du type horlogerie, ou pour des travaux en microélectronique.Dans ces cas,des jets de trés petits diamètres,donc de faible débit, seront préférés.La faible viscosité de-ces liquides sera alors favorable. Des substituts des fréons,compatibles avec les réglementations anti-pollution,telles que la Conventions de Montréal,pourront être utilisés pour le découpage du bois,du papier et des cartonnages ,des matières piastiques et des composites,des produits alimentaires. Pour des applications de travaux sous-marins,le gaz carbonique liquéfié pourra zetre efficacement employé. Dans les cas ou la fragilisation du matériau par le froid sera souhaitée,l'air ou l'azote liquides,seront des fluides indiqués Ces produits sont bon marché et s'éliminent facilement.Ils exigent par contre des installations de type cryotechnique. La compression,$ haute pression,du liquide peut l'echauffer.D'autre part,la température peut avoir une influence sur le taux de cavitation du jet en contact avec le matériau à découper,ainsi que sur la stabilité du jet. Un échangeur de chaleur permet de régler ces paramètres. La figure 1 représente l'alimentation d'une installation à partir d'un fluide contenu dans un réservoir. La figure 2 représente une alimentation en fluide obtenue par mélange de deux liquides conservés sous pression. Sur la figure 3 on voit une alimentation à partir d'un cryostat destiné à conserver un liquide à basse température. La figure 4 montre une machine de découpe avec un système de récupération ,par aspiration,du fluide vaporisé. La figure 5,représente une machine entièrement étanche et permettant la récupération integrale des produits volatilisés. Sur la figure-1-,le réservoir (l),eontient un fluide à l'état liquide,sous pression moyenne,de 1 à 100 bars,par exemple la température ambiante Un moyen de soutirage (2),alimente une pompe (3) à un étage unique haute pression ou à deux étages en cascade, basse et haute pression.Cette pompe, remplit un accumulateur (4) à une pression de 500 à 5000 bars par exemple.Cet accumulateur assure le maintien d'une pression stable.Un échangeur de chaleur (5), alimenté par un groupe frigogène,permet de refroidir le liquide à pression constante,pendant le fonctionnement du jet. Dans une version avantageuse,l'accumulateur (4) pourra etre refroidi directement par l'échangeur (5) qui lui sera incorporé. Le liquide sera refroidi de façon à maintenir entre sa température et la température ambiante,un écart DT qui sera un paramètre de réglage de la qualité de la coupe.Il pernettra de fixer le taux de cavitation du jet et sa stabilité. Sur la figure 2 ,deux réservoirs (8) et(9) alimentent chacun une pompe (10) et (11) ,le mélange des deux fluides se faisant dans un réservoir (12).Si les deux pompes (10) et (11) sont à haute pression et amènent directement le mélange réalisé à la pression d' injection du jet,le réservoir (12) joue le rôle de l'accumulateur (4) de la figure 1.Si le mélange dans le réservoir (12) se fait à pression intérmédiaire,une pompe haute pression enverra le fluide du réservoir (12) dans l'accumulateur (4). La figure-3- représente l'alimentation d'une installation de découpe > qui utilise un fluide comme de l'air ou de l'azote liquides.Le liquide est conservé dans un réservoir (13) à une pression proche de la pression atmosphérique.Ce récipient,maintenu ,par exemple environ -190 C ,dans le cas de l'air liquide,est un cryostat.Il permet la conservation du fluide sans trop de pertes.Un dispositif de soutirage (14),alimente une pompe haute pression (15),conçue pour comprimer l'air liquide à une pression de 500 à 5000 bars,par exemple.Un échangeur de chaleur (18),refroidit le liquide qui est envoyé dans un accumulateur (17), lui aussi isolé thermiquement par des enveloppes sous vide (18).Dans le reste de l'installation de découpe ,l'ensemble du système générant le jet est calorifugé,comme le dispositif (18). La figure 4, présente une machine à découper.Un système d'alimentation tel que décrit sur les figures 1,2 et 3,est connecté à un accumulateur (4),â un échangeur de chaleur (5)et ,par un dispositif d'ouverture à clapet (19),à la texte de formation du jet (20). Cette ttete peut comprendre, éventuellement,un dispositif d'apport d'abrasif en poudre.Les conduites et le système de formation du jet (19) et (20),sont isolés thermiquement par des moyens traditionnels (7) afin d'éviter des condensations d'eau Une hotte (21) permet de récuperer les vapeurs créées par la partie supérieure du jet (22). Aprés son action de découpe, le jet se vaporise dans une enceinte (23) qui assure l'évacuation des frigories créées par la vaporisation du liquide .Un dispositif (24), radiateur à air ou réchauffeur é-lectrique,apporte la chaleur nécessaire.Le gaz vaporisé est récupéré par une aspiration (26) qui,couplée à l'aspiration (25), évacue les gaz vers un réservoir. Un traitement approprié, permet sa récuperation. Par exemple,un compresseur et un échangeur de chialeur, le transformeront en liquide recyclable. Le matériau à découper (27) est, par exemple, convoyé par un dispositif (28),les pieces découpées (29) sont évacuées par (30). Les copeaux de matière découpée,sont entrainés par le jet dans le fond de l'enceinte (23) où un liquide,qui peut etre de l'eau, peut les évacuer. Sur la figure 5 est représentée une machine à découper entièrement étanche et par conséquent assurant la récupération intégrale du fluide de découpe.Une telle machine pourra,par exemple utiliser des fréons sans crainte de pollution.0n pourra aussi utiliser des fluides dangereux,corrosifs ou inflammables.Ce type de machine trouvera des applications,par exemple dans la micro-électronique,pour des opérations de découpe fine ou de gravure. Une canalisation (7) ,un dispositif de commande (19),un nez (20),tels que décrits çi-dessus,permettent de former un jet (22) de liquide volatil à l'intérieur d'une enceinte (31) étanche.des portes ,ou des sas (31) et (32),pernettent d'introduire les matériaux (27) et de sortir les pièces usinées (29).Un système d'aspiration (33) permet l'élimination totale des vapeurs gui peuvent être recyclées par reliquéfaction par exemple. REVENDICATIONS. 1-Procédé de découpe de matériaux par jet de liquide, caractérisé par le fait que le liquide utilisé pour former le jet est un fluide volatil dont la température d'ébullition,à pression atmosphérique,est inférieure à la température ambiante laquelle opère le jet. 2-Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que le fluide volatil est constitué de corps purs ou de mélanges de corps purs. 3-Procédé selon les revendications 1 et 2,caractérisé en ce que l'alimentation en liquide de l'installation de découpe est assurée par au moins un réservoir (1) pressurisé et maintenant,à température ambiante,le ou les fluides à l'état liquide. 4-Procédé selon les revendications 1 et 2,caractérisé par le fait que l'alimentation en liquide de l'installation de découpe,est assurée par un cryostat (13),maintenant le fluide à sa température d'ébullition à une pression proche de la pression atmosphèrique. 5-Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce que,après compression à au moins 500 bars,le liquide est refroidi par un échangeur de chaleur (5). S-Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce que l'échangeur de refroidissement est incorporé à un accumulateur. 7-Procedé selon la revendication 3,caractérisé en ce que au moins un des fluides est du gaz carbonique liquide. 8-Machine à découper selon le procédé,conforme à l'une des revendications 1 à 6,caractérisée en ce qu'elle comprend des capotages (21) et(23),placés au dessus et au dessous de la zone de travail du jet et qui recueillent, par aspiration,le gaz vaporisé 9-Machine à découper selon le procédé,conforme à l'une des revendications 1 à 6,caractérisée en ce que la tete de formation du jet (20) et les dispositifs de support du matériau et des pièces découpées,sont enfermés dans une enceinte hermétique (31),munie d'un dispositif d'aspiration des gaz vaporisés. 10-Machine selon les revendications 7 et 8, caractérisée en ce que les canalisations dans lesquelles circule du liquide plus froid que l'ambiante,sont isolées thermiquement pour éviter des vaporisations et des condensations d'eau