Brevet FR2673132A1 — publié le 19920828

La présente invention se rapporte en général à un procédé amélioré de découpage au laser et à un dispositif pour découper avec précision une pièce métallique creuse pour mini- miser ou éliminer l'adhérence de résidu sur la paroi intérieure de la pièce à usiner Minimiser ou éliminer l'adhérence de résidu ou de déchet est spécialement important pour les applications telles que le découpage au laser des dispositifs de fixation interne en acier inoxydable. Divers procédés de ramassage ou de solidification des particules de métal fondu qui passent a l'intérieur des objets métal- liques dans le champ de soudure du tube sont connus Voir, par exemple, les Brevets U S N' 1 812 409, 2 189 331 et 2 189 339. Le brevet U S N O 4 893 972 décrit un outil à découper pour enlever la matière rejetée déposée après soudage, de l'intérieur d'un tube métallique sans forcer lâ projection de soudure sur la surface intérieure du tube Un poste de retrait de la matière rejetée entre en contact avec la surface intérieure du tube pour enlever la matière rejetée tandis qu'un fluide est introduit dans une direction radiale vers la surface intérieure du *tube et en amont des moyens de c'lindre Le fluide forme une barrière pour minimiser la possibilité que la projection soit laminée sur la surface intérieure du tube par le cy'lindre aval. 6 4- Une tentative pour minimiser l'adhérence du résidu lors du découpage laser a impliqué de revêtir la pièce métallique avec des solutions telles que le nitrate de bore ou d'y faire pénétrer de l'huile pour rendre la surface non- adhésive Cette tentative n'a pas eu un' plein succès parce que quelques résidus adhéraient encore à la pièce, requérant d'être enlevés après le processus. Un autre procédé requiert de déposer une matière époxy sur la surface intérieure du tube, ou de -garnir l'intérieur du tube d'autres matériaux sacrificiels tels que feuille métallique, tubage plastique ou cire Pendant le découpage au laser, le résidu fondu s'encastre lui-même ou adhère au matériau ajouté, lequel plus tard est enlevé et jeté Ce procédé s'est révélé être coûteux et prenant du temps. La présente invention fournit un procédé peu coûteux et un dispositif pour minimiser ou éliminer l'adhérence du déchet à la circon- férence intérieure d'une pièce métallique creuse, telle qu'un tube, lors du découpage au laser à travers une paroi de la pièce Les avantages incluent l'élimination du résidu et le refroi- dissement du tube lorsque le découpage est réalisé, ce *dernier permettant une manipulation sans risque tout de suite après traitement. Un mode préféré de réalisation actuel inclut un dispositif à table rotative et un dispositif d'extrémité distale fixé à une table de machine Un tube métallique est maintenu longi- tudinalement sous pression légère entre le dispositif de table rotative et le dispositif - cd'extrémité distale Un réservoir de produit réfrigérant et une pompe associée placés au- dessous de la table de machine sont connectés par un tuyau au dispositif de la table rotative. Un laser de découpage, de préférence sous contrôle d'un microprocesseur, est placé sur la pièce tub. laire Enfin, une cuve ou un réservoir pour- accumuler et recycler le produit réfrigérant est placée sous la table de machine. Dans une application utilisant le présent dispositif et procédé, un modèle prédéterminé est découpé à travers une paroi d'un dispositif d'implantation de tube en acier inoxydable Les dimensions du modèle, les exigences de position- nement du laser, et d'autres informations perti- nentes sont prograrrmées dans un microprocesseur qui contrôle tous les aspects du processus. Le laser est comrnandé pour se déplacer dans les plans x, y et z, et le dispositif de table rotative pour faire tourner le tube comrne besoin est pour découper le modèle souhaité Avant et pendant le découpage, le dispositif pompe le produit réfrigérant à travers le tube Le produit réfrigérant, composé principalement d'eau, S 'écoule à travers le dispositif et entre en contact avec la circonférence intérieure du tube Le laser chauffe le tube métallique lorsqu'il découpe, entrainant un déchet ou résidu d'acier inoxydable fondu à tomber dans 1 e produit de réfrigération en écoulement Le déchet se solidifie au contact du produit réfrigérant et est évacué de cette façon. Le produit réfrigérant et le déchet sortent du tube sur la table de machine et sont recueillis par la cuve ou le réservoir Le déchet est alors filtré et le produit réfrigérant recyclé vers la pompe La présente invention minimise ainsi ou élimine l'adhérence du déchet à la circon- férence intérieure du tube. Un autre avantage de la présente invention est sa capacité à refroidir la pièce à usiner lors des progès du découpage -Un opérateur peut maintenant manipuler la pièce dès que son découpage est achevé sans revêtir de vêtement de protection. Le procédé et le dispositif de la présente invention trouvent une application particulière dans le champ du découpage au laser des dispositifs de fixation interne en acier inoxydable, et ils peuvent être appliqués lors du découpage au laser des ailettes creuses de turbine en acier Puisque les dispositifs de fixation interne sont implantés chirurgicalement dans le corps humain, on doit s'assurer que ces dispositifs sont libres de matière étrangère qui pourrait se détacher après l'implantation et entraîner un dommage dans le tissu interne. De plus, les ailettes de turbine creuses utilisées dans les moteurs à réaction doivent être libres de matière étrangère qui pourrait se détacher pendant que le moteur fonctionne. Des détails, caractéristiques et avantages supplémentaires de la présente invention sont clairs à partir des dessins et de la discussion détaillée ci-dessous. La Figure 1 est une vue latérale du dispositif de découpage au laser de la présente invention; Les Figures 2 A et 2 B dépeignent respec- tivement une vue de profil et une -vue du bout d'un tube en acier inoxydable d'un type qui pourra être découpé en utilisant le procédé et le dispositif de la présente invention; La Figure 2 C dépeint une surface du détail B de la Figure 2 A illustrant un modèle qui peut être-découpé dans le tube; Les Figures 3 A et 3 B sont des vues détaillées, respectivement latérale et de face, du dispositif de table rotative; et, Les Figures 4 A et 4 B sont, respectivement des vues détaillées de face et de profil du dispositif d'extrémité distale. La Figure 1 illustre un dispositif de découpage au laser 1 selon un mode de réalisation de la présente invention Le dispositif de découpage au laser 1 inclut une table de machine 3, de préférence de construction standard, à laquelle sont fixés un dispositif de table rotative 20 et un dispositif d'extrémité distale 50. Une pièce à usiner creuse 5 est placée lon- gitudinalement entre le dispositif de table rotative 20 et le dispositif d'extrémité distale 50 pour être découpée par un laser 7 Une pompe 9 et un réservoir de produit réfrigérant 10 contenant le liquide de réfrigération 12 sont connectés au dispositif de table rotative 20 par un conduit ou un tuyau 14, qui est fait de préférence de matière plastique Une cuve ou un réservoir 15 est placé au-dessous de la table de machine 3 pour ramener le produit réfrigérant au réservoir du produit réfrigérant Un filtre 16, de préférence d'une dimension de maille de l'ordre-de 0,127 mm environ ou-plus petite est placé entre la cuve ou le réservoir 15 et la pompe 9. Le mode de réalisation de la Figure I inclut aussi un microproceseur, non montré, pour contrôler le découpage au laser et les opérations d'écoulement du produit réfrigérant Un programrnme de commande numérique par ordinateur (CNC) est employé de façon typique pour commander tous les aspects du processus Les programmes CNC sont classiques et bien connus dans le domaine de la machine-outil, dans lequel un utilisateur final écrit le programme pour conduire la machine à réaliser la fonction souhaitée Bien qu'il soit préféré que le dispositif soit commrandé par un microprocesseur, il pourra être compris que les opérations de découpage au laser et de pompage du produit de réfrigération peuvent être amorcées et réalisées manuellement. Le fonctionnement tout entier du dispositif 1 sera maintenant brièvement décrit. Une pièce creuse 5, montrée avec une section évidée "X" pour des objectifs d'illustration, est placée par un opérateur entre le dispositif de table rotative 20 et le dispositif d'extrémité distale Le modèle à découper dans la pièce 5 est prédéterminé et prograrrmé dans un microprocesseur (non montré) qui commande le laser 7 et le dispositif de table rotative 20 pendant le découpage Le microprocesseur peut, si souhaité, commander également le fonctionnement du dispositif d'extrémité distale 50 et le fonctionnement de l'écoulement du produit réfrigérant de la pompe 9. Une fois que la pièce 5 est en place, du produit de réfrigération liquide est pompé à travers le dispositif 1 dans la direction des flèches "A" Le produit réfrigérant s'écoule à travers le dispositif de table rotative et la pièce 5, entrant en contact avec la circonférence intérieure de la pièce avant de sortir Ensuite, le laser 7 et la pièce 5 sont amenés dans les positions correctes pour commencer le découpage Pour découper le modèle souhaité, le laser 7 focalise un faisceau de lumière cohérente sur la surface de la pièce 5, ce qui chauffe la pièce et entraine le résidu d'acier inoxydable ou déchet 8 à tomber dans la pièce, corrme montré dans la section évidée "X" de la Figure 1 Les particules de déchet 8 sont' typiquement d'une dimension de l'ordre de 0,25 mm environ ou légèrement plus petites Lè déchet fondu 8 se solidifie au contact du produit réfrigérant en écoulement et est évacué en débordant à l'extrémité de la pièce 5 entrant en contact avec le dispositif d'extrémité distale 5 O Le produit réfri- gérant et le déchet 8 sortent de la pièce 5 sur la table de machine 3, et sont ensuite recueillis par la cuve ou le réservoir 15 et transvasés dans le réservoir de produit réfrigérant 10, ou le filtre 16 retient le déchet avant que le produit réfrigérant ne soit récyclé. Les Figures 2 A et 2 B sont des vues repectivement de profil et en coupe, d'une pièce typique d'acier inoxydable 5 ayant une paroi de 1,3 millimètres (nrn) environ d'épaisseur. Le modèle 6 montré en Figure 2 A est un exemple du type de découpe qui peut être faite à travers un côté du tube 5 par un laser. La Figure 2 C dépeint une aire du détail "B" de la Figure 2 A pour illustrer en plus le modèle 6 à découper dans le tube 5 Dans cet exemple, le modèle souhaité est seulement farge de 0,3 + 0,05 mm (ou 0,1182 + 0,00197 pouce) et doit être découpé à travers un côté du tube en acier inoxydable qui est épais de 1,3 rmm. Il n'est pas possible de découper de façon adéquate à la machine un modèle aussi précis à travers un côté d'un tel tube, aussi un laser doit être utilisé Un laser de découpage de métal convenable est un laser à grenat d'aluminium-yttrium (YAG)- du type construit et vendu par la Lumonics Corporation of Levonia, Michigan Cependa'nt, d'autres types de lasers disponibles dans le commerce capables de découper le métal peuvent être également utilisés. La Figure 3 A est un dessin détaillé du dispositif de table rotative 20 de la Figure 1 Le dispositif de table rotative 20 comprend une table rotative 21 _ un dispositif de fixation du centre proximal 22 et des moyens d'ajustement de raccord de tuyaux 35 La table rotative 21 est ancrée à la table de machine 3 décrite en Figure 1, et peut fonctionner pour faire tourner une pièce à usiner pendant le découpage au laser tout en permettant au tuyau du produit de réfrigération 14 de tourner de façon indépendante. Le dispositif de fixation du centre proximal 22 comprend un corps de centre'proximal 28 comportant une chambre creuse 32, et une plaque de base 23 connectée à la table rotative 21 au moyen de boulons à tête 24 Des écrous de blocage 31 connectent le corps de centre proxi- 1 mal 28 à la plaque de base 23 Un manchon de placement 25 et un ressort à pression 27 fournissent les moyens pour recevoir et retenir la pièce Le centre proximal 29 en ligne avec les oreilles du manchon 26 (montré en Figure 3 B) et la broche de blocage 30 sont conçus pour recevoir une extrémité d'une pièce creuse Une ouver- ture 33 se situe à 'l'extrémilt'é de la chambre creuse 32 la plus proche du centre proximal 29 Le mode préféré de réalisation du dispositif de *fixation du centre proximal 22 peut s'adapter *a _ des pièces à usiner ayant un diamètre d'envir-on 9 rrm à environ 18 rrrn, mais peut aussi être modifié pour recevoir des pièces d'un diamètre plus grand ou plus petit comme il sera facilement apparent pour ceux qui sont compétents en la matière. Les, moyens d'ajustement de raccord de tuyaux 35 -ccaprennent un corps qui tourne librement 36 ayant une chambre creuse 42, un raccord de tuyau 37, et une plaque de blocage 38 connectés au corps rotatif 36 par des boulons à tête 39 Un collier de serrage de tuyau 40 connecte de façon sûre le tuyau 14 au raccord de tuyau 37 Le raccôrd de tuyau 37 et le tuyau 14 peuvent, de préférence, tourner autour du corps 36 supprimant ainsi toute tendance du liquide réfrigérant à entraîner le tuyau 14 à se tordre ou à se nouer La chambre creuse 42 des moyens d'ajustement 35 s'ouvre dans la chambre creuse 32 du dispositif de fixatiob du centre proximal 22. La Figure 3 B est une vue de face du dispositif de table rotative 20 dépeignant la table rotative 21, la plaque de base 23, les boulons à tête 24, les oreilles du manchon 26 et l'ouverture 33. La Figure 4 A est une vue de face détaillée, et la Figure 4 B est une vue de profil détaillée du dispositif d'extrémité distale de la Figure 1 Un moteur hydraulique est placé à l'intérieur du corps de l'extrémité distale 51 et peut fonctionner pour faire entrer ou sortirsur comrande une tête de cylindre 53 en actionnant un tuyau hydraulique 54 La tête de cylindre 53 est en forme de cône à son sommet, comprenant un centre digtal 55 et un nez 56, pour engager et supporter une extrémité d'une pièce à usiner creuse Le corps de l'extrémité distale 5 l est fixé à la table de machine 3 de façon à ce que le centre d'extrémité distale 55 soit aligné avec le centre proximal 29 du dispositif de table rotative 20, comme dépeint en Figure 1 Les pièces ayant un diamètre d'environ 9 mn à environ 18 nmm peuvent être adaptées au mode préféré de réalisation de la tête de cylindre f 53, mais la tête de cylindre sera modifié pour recevoir des pièces de diamètre - plus grand ou plus petit De la même manière des pièces à usiner creuses de longueur variable peuvent être traitées par le présent dispositif en plaçant le dispositif d'extrémité distale 50 plus près ou plus loin du dispositif de la table rotative 20. Le fonctionnement complet du procédé et du dispositif de la présente invention seront maintenant décrits en détail en utilisant le tube Il 2673132 en acier inoxydable de la Figure 2 A corrme exemple Un opérateur place le tube en acier inoxydable entre le dispositif de la table rotative 20 de la Figure 3 A et le dispositif d'extrémité distale 50 de la Figure 4 B Le moteur hydraulique contenu dans le corps d'extrémité distale 51 est alors mis en route pour pousser la té-te du cylindre à &entrer en contact avec une extrémité du tube tandis que l'autre extrémité du tube est placée pour entrer en contact avec le manchon de placement 25, les oreilles du manchon 26 et le centre proximal 29 du dispo- sitif de table rotative 20 Le tube est maintenu en place sous une pression légère, et les oreilles du manchon 26 fonctionnent pour localiser la position du tube de façon à ce que le micro- processeur puisse déterminer l'endroit o le découpage doit corrmnencer Le dispositif de fixation du centre proximal 22 est commandé par micro- processeur pour faire tourner le tube en acier inoxydable dans les positionscorrectes durant le découpage au laser. Avant de commencer le découpage, le produit réfrigérant est pompé à travers le tuyau 14 dans les chambres creuses 42 et 32 du dispositif de la table rotative 20, et hors de l'ouverture 33 Le produit réfrigérant entre ensuite dans une extrémité du tube 5, entre en contact avec la paroi du diamètre intérieur, et sort par l'autre extrémité au niveau du dispositif d'extrémité distale 50 La tête de cyclindre 53 contient un nez 56 pour diriger le produit réfrigérant vers le bas o il doit être recueilli par la cuve 15, située sous la table de machine 3 et recyclé Les moyens d'ajustement du raccord de tuyaux 35 peuvent tourner librement si le tuyau de produit réfrigérant commence à se tordre, fournissant ainsi un écoulement stable du produit de réfrigération. Le produit réfrigérant utilisé dans la présente invention est de préférence un mélange d'environ quatre vingt dix pour cent d'eau et environ dix pour cent d'huile synthétique, en volume, quoique des mélanges dans le domaine d'environ 90 pour cent d'eau et 10 pour cent d'huile à environ 50 pour cent d'eau et 50 pour cent d'huile -peuvent aussi être utilisés. Ces mélanges aident le déchet fondu à se solidifier et revêtent aussi les parties métal- liques du dispositif pour empêcher la corrosion. Une huile synthétique convenable à utiliser dans le présent dispositif est disponible dans le commerce en tant qu'huile de la marque "Trimsoil". Un laser, capable de découper à travers le métal, est co- rnandé par un microprocesseur programmé pour découper le modèle 6 montré en Figure 2 C Se référant à la Figure 1, le laser 7 est mis en fonctionnement et commence à découper lorsque le produit réfrigérant 12 s'écoule de façon continue à travers et contre la circonférence intérieure de la pièce en tube 5, évacuant en sortant les particules de déchet solidifiées 8 La vitesse d'écoulement du produit réfrigérant 12 à trave rs le tube est de préférence d'au moins environ 12 litres par minute pour évacuer de façon convenable le déchet 8 qui se forme pendant le découpage Lors du déroulement du découpage un peu de produit réfrigérant peut suinter hors du tube à l'endroit o il vient d'être découpé, ou peut suinter hors des trous qui ont été pré-découpés dans le tube Ce suintage est sans conséquence puisque le produit de réfrigération qui s'échappe de cette manière sera également recueilli via la cuve ou le réservoir 15, filtré et recyclé. Les dispositif et procédé de la présente invention pourvoient à la précision de découpage au laser de modèles prédéterminés dans des tubes métalliques tout en minimisant ou en éliminant l'adhérence du résidu ou du déchet à la circon- férence intérieure du tube Cette caractéristique est hautement souhaitable dans des applications o une telle adhérence du déchet ne peut être tolérée, telles le découpage au laser des dispositifs de fixation interne. Le dispositif dépeint dans la Figure 1 n'est qu'une configuration possible de la présente invention, et on pourra comprendre que d'autres configurations peuvent être utiiisées sans se départir de la nature et du domaine de l'invention. De plus, bien qu'aucune tentative n'ait été faite'de dépeindre ou décrire les diverses sources d'énergie ou l'équipement de sécurité qui peuvent être utilisés quand on emploie une machine outil à laser, celui qui est compétent dans l'art des machines outils à laser comprendra que de tels dispositifs peuvent être employés et pourra construire un dispositif et utiliser le procédé décrit pour mettre en pratique la présente invention sur la base de l'exposé de l'invention fait ici. DA 7 Z 1 9 h 2673132 REVENDICATIONS 1 Procédé pour découper au laser un modèle prédéterminé à travers une paroi d'une pièce métallique creuse, caractérisé en ce qu'il consiste à pomper un produit réfrigérant liquide à travers des moyens de montage de la pièce et la pièce métallique tout en découpant le modèle avec des moyens de découpage au laser lorsque le produit réfrigérant s'écoule à travers une partie de la surface intérieure et entre en contact avec au moins une partie de la surface intérieure de la pièce, pour évacuer le déchet qui se forme durant le découpage, de façon à ce que l'adhérence du déchet à la surface intérieure de la pièce soit minimisée ou éliminée. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que un microprocesseur commande les moyens de découpage au laser, les moyens de rotation de la pièce à usiner, et les moyens de pompage du produit réfrigérant. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que un programme à commande numérique par ordinateur dirige le fonctionnement des moyens de découpage au laser, des moyens de rotation de la pièce à usiner et des moyens de pompage du produit réfrigérant. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le produit réfrigérant qui sort de la pièce à usiner est f iltré pour enlever le déchet et est ensuite recyclé. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le produit réfrigérant s'écoule à travers la pièce à usiner à une vitesse minimum d'environ 12 litres par minute. à 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le produit réfrigérant comprend un mélange eau-huile dans le domaine- d'approximativement 50 parties d'eau et 50 parties d'huile à approximativement 90 parties d'eau et 10 parties d'huile, en volume. 7 Dispositif pour découper au laser un modèle à travers une paroi d'une pièce métallique à usiner creuse, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de découpage au laser ( 7) capables de découper le métal; une table de machine ( 3); un système de table rotative ( 20) fixé à la table de machine, dans lequel une extrémité dudit système inclut des moyens de raccord de tuyau ( 35) pour recevoir un tuyau ( 14) à travers lequel le produit réfrigérant ( 12) est pompé et l'autre extrémité inclut un dispositif de fixation du centre proximal ( 22) conçu pour recevoir une extrémité d'une pièce métallique creuse ( 5), le dispositif de fixation du centre proximal pouvant être actionné pour faire tourner la pièce pendant le découpage au laser; des moyens de centre d'extrémité distale ( 50) fixés à la table de machine à distance des moyens de la table rotative, dans lesquels une extrémité des moyens du centre d'extrémité distale inclut une tête de cylindre ( 53) qui est alignée avec le dispositif de fixation du centre proximal, conçu pour recevoir l'extrémité opposée de la pièce métallique creuse; une pompe ( 9) et un réservoir de produit réfrigérant associé ( 10) pour fournir un écoulement continu d'un produit réfrigérant liquide à travers le système de table rotative et la pièce métallique creuse; et des moyens de cuve ( 15) pour recueillir et recycler le produit réfrigérant liquide sortant de la pièce métallique creuse. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de fixation du centre proximal ( 22) comprend un manchon de positionnement ( 25), des oreilles de manchon ( 26), un centre proximal ( 29) et un ressort à pression ( 27) pour supporter et placer la pièce à usiner. 9 Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8 caractérisé en ce qu'un moteur hydraulique agit pour déplacer la tête de cylindre ( 53) pour entrer en contact avec une extrémité de la pièce, et pour entraîner l'autre extrémité de la pièce à toucher le dispositif de serrage du centre proximal ( 22) et du système de table rotative. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisé en ce que la tête du cylindre ( 53) comporte une extrémité de réception formée en cône ayant un nez ( 56) conçu pour diriger le produit réfrigérant vers le bas. 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à caractérisé en ce que le dispositif de fixation du centre proximal ( 22) et la tête de cylindre ( 53) sont conçus pour recevoir les pièces ( 5) ayant un diamètre approximativement compris entre 9 mm et 18 mm. 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11 caractérisé en ce que les moyens de raccord de tuyau ( 35) peuvent tourner indépendamment du dispositif de fixation du centre proximal, pour empêcher la constriction du tuyau ( 14). 13 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11 caractérisé en ce que le produit réfrigérant comprend un mélange eau-huile dans le domaine d'approximativement 50 parties en eau et 50 parties en huile à approximativement 90 Parties en eau et 10 parties en huile, en volume. 14 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 13 caractérisé en ce qu'il comporte un filtre pour le produit réfrigérant ( 16) de dimension de maille de 0,127 mm ou plus petite. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 14 caractérisé en ce qu'il comprend un microprocesseur. 16 Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le microprocesseur fonctionne sous la commande d'un programme numérique par ordinateur.