Brevet FR2759310A1 — publié le 19980814

"Procédé pour le polissage au laser d'une pièce en verre avec préchauffage de celle-ci, et appareillage correspondant La présente invention concerne d'une manière générale le procédé de polissage d'une pièce en verre, qui, s'apparentant à un procédé de polissage au feu, consiste à appliquer, de manière contrôlée, à la pièce à traiter, et, plus précisément, à la surface de celle-ci à polir, un faisceau laser de nature à assurer pendant un temps suffisant une élévation brutale de la température superficielle de cette pièce, en portant en pratique cette température superficielle à une valeur supérieure à celle de la température de travail du verre concerné. Ainsi qu'on le sait, la température de travail d'un verre est définie comme étant la température à laquelle sa viscosité autorise son formage. Le poli recherché intervient ainsi de manière quasi instantanée, sous les seuls effets de la tension superficielle du verre, alors même que la viscosité de celui-ci se trouve momentanément suffisamment abaissée en conséquence, et sans que, avantageusement, la surface à polir soit au contact d'un quelconque outil, et sans donc qu'il y ait le risque d'une quelconque modification de sa géométrie. Un tel procédé de polissage au laser se trouve notamment décrit dans le brevet espagnol qui, déposé le 4 février 1992 sous le No 9200219, a été publié sous le No 2 041 587. Dans ce brevet espagnol, il est proposé que, préalablement à l'application du faisceau laser, la pièce à polir soit soumise à un préchauffage à coeur de nature à réduire le choc thermique dont elle est ensuite l'objet en surface. Plus précisément, il est proposé, dans ce brevet espagnol, d'effectuer ce préchauffage à une température qui, présentée comme supérieure à la température de transformation du verre, a en pratique une valeur de l'ordre de celle de cette température de transformation. Ainsi qu'on le sait, la température de transformation d'un verre est définie comme étant la température correspondant à la première anomalie de sa courbe de dilatation. Elle n'est donc que très légèrement supérieure à la température de recuit, qui, elle, est définie comme étant la température à laquelle les contraintes dont le verre est le siège sont pratiquement relâchées en quinze minutes. Comme la température de recuit, la température de transformation dépend de la nature du verre. Elle est, par exemple, de l'ordre de 500 à 550"C. Si, dans la pratique, les pièces en verre polies en application d'un tel procédé de polissage au laser précédé d'un préchauffage peuvent, au moins pour certaines applications, donner satisfaction, il n'en est pas de même pour toutes les applications. Cela est le cas, notamment, pour les coquilles de moulage en verre destinées à être mises en oeuvre pour le moulage de lentilles ophtalmiques en matière organique. En effet, pour de telles coquilles de moulage, qui doivent permettre l'obtention de surfaces optiques très précises, de forme géométrique quelconque mais parfois complexe, pour les lentilles ophtalmiques recherchées, des exigences particulièrement rigoureuses sont à satisfaire. En particulier, la rugosité moyenne de la surface polie obtenue doit être comprise entre 1 et 4 nm, en étant préférentiellement inférieure à 3 nm, et l'erreur moyenne, dans un sens ou dans l'autre, sur le rayon de courbure, doit au plus être égale à 0,4 %. L'expérience montre que, dans la pratique, les pièces traitées en application du procédé décrit dans le brevet espagnol No 9200219 ne répondent jamais à ce jour à de telles exigences. Prévue pour être inférieure à 5 nm, leur rugosité moyenne est le plus souvent comprise entre 30 et 50 nm, tandis que l'erreur sur leur rayon de courbure s'échelonne le plus souvent entre - 1,5 et - 8,5 %. De fait, il est observé, sur ces pièces, d'une part, des défauts de surface, et, d'autre part, une déformation générale de leur géométrie. Parmi les défauts de surface, on relève des fractures dont on peut penser qu'elles sont d'origine thermiques et qu'elles se produisent tant lors de l'application du faisceau laser qu'au refroidissement postérieur à cette application. Pour les coquilles de moulage, ces fractures sont particulièrement gênantes, car il peut en résulter de manière intempestive un accrochage local de la matière moulée, et, donc, à terme, une dégradation rédhibitoire de la surface de moulage correspondante, alors même que, s'agissant de coquilles de moulage relativement coûteuses à obtenir, il est impératif de pouvoir les utiliser un grand nombre de fois. Parmi les défauts de surface, on relève également des ondulations dont on peut penser qu'elles résultent d'un déplacement superficiel de matière dû à l'importance du gradient thermique qui s'établit à la périphérie de la fenêtre d'irradiation suivant laquelle se fait en pratique l'application du faisceau laser, celui-ci ne pouvant avoir une extension suffisante pour intéresser simultanément la totalité de la surface à traiter et devant donc être déplacé le long de celle-ci. Quant à la déformation générale de la géométrie des pièces traitées, elle se traduit dans la pratique par un tuilage de celles-ci, ces pièces ayant tendance, sous les effets de la dissymétrie du traitement qui leur est appliqué, ce traitement n'intéressant pour l'essentiel que leur seule surface à polir, en pratique leur surface supérieure, à se refermer sur elles-mêmes, si cette surface est concave, et à s'ouvrir, Si elle est convexe. La présente invention a d'une manière générale pour objet des conditions particulières de traitement dont il a été constaté que, de manière assez surprenante, elles permettaient de surmonter de façon très simple les difficultés précédemment exposées et de conduire avantageusement à des pièces en verre dont le poli est susceptible de satisfaire aux exigences les plus rigoureuses. De manière plus précise, elle a tout d'abord pour objet un procédé pour le polissage d'une pièce en verre, du genre suivant lequel, préalablement à l'application d'un faisceau laser à cette pièce de nature à assurer une élévation brutale de sa température superficielle, on la soumet à un préchauffage à coeur, ce procédé étant d'une manière générale caractérisé en ce que on choisit pour valeur de la température de préchauffage une valeur qui est au moins de l'ordre de celle de la température de ramollissement du verre constitutif de la pièce concernée ; elle a encore pour objet un appareillage propre à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Ainsi, suivant l'invention, le préchauffage est effectué à une température largement supérieure à la température de recuit, puisqu'il s'agit au moins de la température de ramollissement. Ainsi qu'on le sait, la température de ramollissement d'un verre est définie comme étant la température à laquelle un fil de ce verre de dimensions définies s'allonge sous son propre poids de 1 mm par minute lorsqu'il est suspendu verticalement dans un four dont la température croît à une vitesse de 50C par minute. I1 s'agit, par exemple, dans la pratique, d'une température de l'ordre de 700"C à 7100C. Avec une température de préchauffage aussi élevée, la diminution de la viscosité du verre permet avantageusement aux contraintes mécaniques éventuelles au sein de la pièce traitée, et notamment à ses contraintes de traction superficielle, de s'affaiblir par relaxation. En outre, le choc thermique lors de l'application ultérieure du faisceau laser se trouve lui-même avantageusement minimisé, ce qui évite avantageusement que ce choc thermique induise une quelconque fracture. En bref, les gradients thermiques et de tension superficielle sont avantageusement réduits. Il en est d'autant plus ainsi que, le préchauffage ayant assuré la plus grande partie de la montée en température de la pièce traitée, le chauffage complémentaire que doit assurer le faisceau laser pour que, pendant un temps suffisant, la température à la surface de cette pièce soit, comme recherché, supérieure à la température de travail du verre, est lui-même diminué, et que, par conséquent, le profil du pic de température dû à ce chauffage complémentaire est lui aussi avantageusement adouci. Corollairement, la tendance au tuilage est elle-même avantageusement réduite, le chauffage complémentaire, dissymétrique, dû au faisceau laser, étant proportionnellement moins important. Corollairement, également, la puissance du laser nécessaire peut avantageusement et économiquement être minimisée. Dans la pratique, la valeur de la température de préchauffage n'est pas nécessairement limitée à celle de la température de ramollissement. Au contraire, suivant un développement de l'invention, cette valeur est préférentiellement la plus élevée possible, pourvu qu'elle soit compatible avec la stabilité géométrique de la pièce en verre traitée. Pour contribuer à cette stabilité, il est prévu, suivant l'invention, que, pendant le préchauffage et l'application du faisceau laser, au moins, on dispose la pièce à polir sur un support en matériau réfractaire apte à la soutenir en tout point de sa surface inférieure. I1 est ainsi évité à cette pièce de se déformer par fluage, le support qui la porte conservant, lui, immuablement sa forme puisqu'il est en matériau réfractaire. Suivant un développement complémentaire de l'invention, on fait d'ailleurs en sorte que la pièce à polir soit en permanence maintenue plaquée contre son support, pour éviter tout tuilage Par exemple, le matériau réfractaire constitutif de ce support est un matériau réfractaire poreux, et on assure une aspiration à travers lui. Préférentiellement, pour s'opposer à toute tendance rémanente au tuilage, on poursuit le maintien plaqué de la pièce à polir sur son support au-delà de l'application du faisceau laser à celle-ci. Préférentiellement, également, et suivant un autre développement de l'invention, on soumet ensuite la pièce traitée à une trempe chimique à une température au plus égale à la température de contrainte du verre qui la constitue, et, par exemple, légèrement inférieure à celle-ci. Ainsi qu'on le sait, la température de contrainte d'un verre est définie comme étant la température à laquelle les contraintes internes à ce verre sont pratiquement relâchées en quatre heures. I1 s'agit, par exemple, dans la pratique, d'une température de l'ordre de 496"C. Avec une telle trempe chimique, la résistance mécanique de la pièce en verre traitée se trouve avantageusement renforcée sans qu'il en résulte une quelconque déformation de sa géométrie. En bref, la disposition suivant l'invention permet l'obtention de pièces en verre qui, d'une part, présentent tout le poli recherché, et qui, d'autre part, sont dépourvues de toute déformation sensible de leur géométrie. En outre, la température de ramollissement pratiquée au cours de leur préchauffage étant supérieure à la température de cicatrisation du verre qui les constitue, il se produit, avantageusement, pendant ce préchauffage, pourvu que celui-ci soit poursuivi pendant un temps suffisant, une cicatrisation de toute fracture éventuelle sous-jacente à leur surface. Compte tenu de cette cicatrisation, le doucissage normalement préalable au polissage de ces pièces en verre peut d'ailleurs éventuellement être avantageusement minimisé, voire même éliminé. En variante, ou conjointement, le meulage ayant initialement généré la géométrie de la surface concernée de ces pièces en verre peut lui-même être avantageusement conduit dans des conditions moins strictes. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une pièce en verre à laquelle est susceptible d'être appliquée l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un support qui, suivant l'invention, est destiné à soutenir cette pièce en verre au cours de son traitement la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un appareillage, qui est propre à la mise en oeuvre de l'invention, et au sein duquel, notamment, la pièce en verre à polir est soutenue par le support précédent. Tel qu'illustré sur ces figures, il s'agit, globalement, d'assurer le polissage d'une pièce 10, qui, en pratique, est une pièce en verre. Par exemple, et tel que représenté, la pièce 10 à polir est une coquille de moulage du type de celles mises en oeuvre pour le moulage de lentilles ophtalmiques en matière organique. Cette pièce 10 se présente donc sous la forme d'un palet de contour sensiblement circulaire. Dans la forme de réalisation représentée, elle est sensiblement équi-épaisse, et elle présente une surface supérieure 11 concave et une surface inférieure 12 convexe. Seule l'une de ces surfaces 11, 12 est à polir. Dans la forme de mise en oeuvre représentée, il a été supposé qu'il s'agissait de la surface supérieure 11 concave. Mais il va de soi que l'invention concerne aussi bien le cas où la surface à polir est convexe ou plane. Pour le polissage de la pièce 10, et, plus précisément, pour le polissage de sa surface supérieure 11, on applique, de manière connue en soi, à cette pièce 10, un faisceau laser 13 de nature à assurer une élévation brutale de sa température superficielle, mais, préalablement à l'application de ce faisceau laser 13, on soumet la pièce 10 à un préchauffage à coeur. Suivant l'invention, on choisit pour valeur de la température de préchauffage une valeur qui est au moins de l'ordre de celle de la température de ramollissement du verre constitutif de la pièce 10 concernée. Préférentiellement, pendant le préchauffage et l'application du faisceau laser 13, on dispose la pièce 10 à polir sur un support 14, qui est apte à la soutenir en tout point de sa surface inférieure 12, et qui est en matériau réfractaire. Dans la forme de réalisation représentée, la surface supérieure 15 de ce support 14 est exactement à l'image de la surface inférieure 12 de la pièce 10 à traiter, en étant complémentaire de cette surface inférieure 12, et il s'agit donc d'une surface concave. Par exemple, et tel que représenté, le support 14 se présente globalement sous la forme d'un palet, comme la pièce 10 à traiter. Dans la forme de réalisation représentée, sa surface inférieure 16 est plane, et elle s'étend transversalement par rapport à l'axe de l'ensemble. Préférentiellement, on fait en sorte que la pièce 10 à polir soit maintenue plaquée contre son support 14. Par exemple, on choisit, pour ce faire, pour matériau réfractaire constitutif du support 14, un matériau réfractaire poreux, et on assure une aspiration à travers ce support 14. Un matériau réfractaire poreux donnant tout particulièrement satisfaction est celui vendu sous la dénomination commerciale "ZIRCHROMITE A 84" par la Société française CERAFRANCE, dans la variété coulée de ce matériau. Ce matériau réfractaire poreux, qui est formé à partir de kaolin d'Arvor et de zircon flour T 325 calciné, présente avantageusement une porosité ouverte comprise entre 25 et 30,5 % Bien entendu, ce matériau réfractaire poreux n'est donné ici qu'à titre d'exemple, et il ne doit en rien être considéré comme limitatif de l'invention. Préférentiellement, le support 14 réalisé en un tel matériau réfractaire poreux est rendu étanche à l'air latéralement, c'est-à-dire sur sa tranche. Par exemple, et tel que représenté, il est ceinturé périphériquement par une bague 17 dont le matériau constitutif est étanche à l'air. Cette bague 17 peut par exemple être en acier ou en céramique. Elle peut également être constituée par un enduit réfractaire non poreux. Cela étant, le polissage à effectuer peut, suivant l'invention, être conduit dans un appareillage 18 du type de celui représenté à la figure 3. Cet appareillage 18 comporte, globalement, en combinaison, un laser 19 et un four de préchauffage 20. Préférentiellement, le laser 19 est un laser C02 à 10,6 ssm. La conformation de ce laser 19, son réglage et le contrôle de son faisceau, c'est-à-dire du faisceau laser 13 précédemment mentionné, sont bien connus par eux-mêmes et relèvent de l'homme de métier. Ils ne seront donc pas décrits ici. I1 en est de même pour le four de préchauffage 20, qui est, par exemple, un four électrique. Après réflexion sur un miroir de renvoi 21, le faisceau laser 13 pénètre dans le four de préchauffage 20 à la faveur d'une fenêtre 22 de celui-ci propre à son passage. Par exemple, et tel que représenté, la fenêtre 22 intervient à la surface supérieure du four de préchauffage 20, et le support 14 destiné à soutenir la pièce 10 à polir est disposé dans celui-ci, à l'aplomb de cette fenêtre 22. Dans la forme de réalisation représentée, le four de préchauffage 20 est équipé pour ce faire d'une sole 24, qui est apte à recevoir de manière amovible le support 14, et qui forme en dessous de celui-ci un caisson d'aspiration 25. Par exemple, et tel que représenté, cette sole 24 comporte, à sa partie supérieure, une semelle 26, sur laquelle est placé le support 14, et qui, disposée à l'aplomb d'une chambre 27 susceptible d'être raccordée, par une canalisation 28, à une quelconque source d'aspiration non représentée, tel que schématisé par une flèche F1 sur la figure 3, est percée d'une pluralité d'ajutages 29. Dans la forme de réalisation représentée, le support 14, avec sa bague 17, s'encastre légèrement, pour son positionnement, dans un logement 30 prévu à cet effet en creux sur la semelle 26, et il est entouré par une plaque annulaire 31, en silice par exemple, pour l'arrêt de la partie perdue du faisceau laser 13. Le faisceau laser 13 ne pouvant couvrir la totalité de la surface supérieure 11 de la pièce 10 à polir, le miroir de renvoi 21 est mobile transversalement par rapport à l'axe de l'ensemble, suivant au moins une direction du plan, tel que schématisé par une double flèche F2 sur la figure 3. Si nécessaire, il peut être mobile suivant deux directions croisées du plan. En service, il peut par exemple être procédé comme suit. La pièce 10 à polir et son support 14 sont d'abord placés sur la sole 24 du four de préchauffage 20. Par aspiration à travers le support 14, la pièce 10 à polir est ensuite plaquée contre celui-ci. Comme recherché, elle se trouve ainsi soutenue par ce support 14 en tout point de sa surface inférieure 12. Après que, le four de préchauffage 20 ayant dûment été actionné à cet effet, la pièce 10 à polir ait atteint à coeur la température de préchauffage choisie, le laser 19 est mis en oeuvre. Par le miroir de renvoi 21, le faisceau laser 13 balaye successivement l'ensemble de la surface supérieure 11 de la pièce 10, ce qui conduit au poli recherché pour celle-ci. Ce faisceau laser 13 étant absorbé par le verre du fait de sa longueur d'onde, son énergie se concentre à la surface de la pièce 10, ce qui provoque, comme recherché, l'échauffement complémentaire de celle-ci. Préférentiellement, on poursuit le maintien plaqué de la pièce 10 sur son support 14 au-delà de l'intervention du faisceau laser 13, c'est-à-dire au-delà de l'application de ce faisceau laser 13 à cette pièce 10. Préférentiellement, également, on soumet ensuite la pièce 10 à une trempe chimique à une température au plus égale à la température de contrainte du verre qui la constitue, et, par exemple, légèrement inférieure à cette température de contrainte. Les dispositions correspondantes étant bien connues par elles-mêmes, elles ne seront pas décrites ici. La présente invention ne se limite d'ailleurs pas à la forme de mise en oeuvre décrite et représentée, mais englobe toute variante d'exécution. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le polissage d'une pièce en verre, du genre suivant lequel, préalablement à l'application d'un faisceau laser à cette pièce de nature à assurer une élévation brutale de la température superficielle, on la soumet à un préchauffage à coeur, caractérisé en ce que on choisit pour valeur de la température de préchauffage une valeur qui est au moins de l'ordre de celle de la température de ramollissement du verre constitutif de la pièce (10) concernée. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant le préchauffage et l'application du faisceau laser (13), on dispose la pièce (10) à polir sur un support (14), qui est apte à la soutenir en tout point de sa surface inférieure (12), et qui est en matériau réfractaire. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que on fait en sorte que la pièce (10) à polir soit maintenue plaquée contre son support (14). 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que on choisit, pour matériau réfractaire constitutif du support (14), un matériau réfractaire poreux, et on assure une aspiration à travers ce support (14). 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3, 4, caractérisé en ce que on poursuit le maintien plaqué de la pièce (10) sur son support (14) au-delà de l'application du faisceau laser (13) à cette pièce (10). 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que on soumet ensuite la pièce (10) à une trempe chimique à une température au plus égale à la température de contrainte du verre qui la constitue. 7. Appareillage pour le polissage d'une pièce en verre suivant un procédé conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte, en combinaison, un laser (19) et un four de préchauffage (20), avec, dans le four de préchauffage (20), à l'aplomb d'une fenêtre (22) propre au passage du faisceau laser (13), un support (14), qui est apte à recevoir la pièce (10) à polir en soutenant celle-ci en tout point de sa surface inférieure (12), et qui est en matériau réfractaire. 8. Appareillage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le four de préchauffage (20) est équipé d'une sole (24), qui est apte à recevoir de manière amovible le support (14), et qui forme en dessous de celui-ci un caisson d'aspiration (25). 9. Appareillage suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le support (14) est en matériau réfractaire poreux et est rendu étanche latéralement. 10. Appareillage suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le support (14) est ceinturé périphériquement par une bague (17). 11. Appareillage suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la bague (17) est constituée par un enduit réfractaire non poreux.