Brevet FR2781707A1 — publié le 20000204

DESCRIPTION PROCEDE D'USINAGE PAR LASER EXCIMERE DE TROUS OU DE FORMES A PROFIL VARIABLE L'invention concerne un procédé et un dispositif d'usinage par laser excimère de trous ou de formes à profil variable dans une pièce mécanique. Elle s'applique notamment en aéronautique au perçage de trous de refroidissement des aubes et de la chambre de combustion d'un turbomoteur. Pour usiner des trous à profil variable, il est connu d'utiliser une technique de perçage par électroérosion, appelée technique EDM (en anglais Electro-Discharge Machining). Cette technique présente l'inconvénient majeur de nécessiter l'utilisation d'une électrode dont la forme est identique à celle requise pour le trou à percer, cette électrode devant elle-même être usinée. En outre ce procédé d'usinage est trop lent. Il est également connu du brevet FR 2 637 524 de percer des trous à profil variable en utilisant un faisceau laser et des moyens de rotation du faisceau suivant la génératrice d'un cône. Le trou réalisé a la forme d'un entonnoir mais les dimensions de la partie conique et la longueur de la partie cylindrique située en aval de la partie conique sont difficilement maîtrisables industriellement. Le but de l'invention est de réaliser un procédé et un dispositif d'usinage de trous ou de formes à profil variable permettant de pallier aux inconvénients des procédés et dispositifs connus. Pour cela, l'invention concerne un procédé et un dispositif d'usinage utilisant un laser excimère, l'usinage étant effectué sans déplacement relatif du faisceau laser par rapport à la pièce mécanique. Le faisceau émis par le laser excimère est mis en forme par interposition, dans une partie non focalisée de la trajectoire du faisceau, d'un diaphragme ou d'un écran muni d'une ouverture de forme prédéterminée de 2 2781707 façon à ne laisser passer qu'un faisceau ayant une section de la dimension et de la forme voulues. Selon l'invention, le dispositif d'usinage par laser excimère d'un trou ou d'une forme à section quelconque dans une pièce mécanique dans lequel un laser excimère délivre un faisceau sous forme d'impulsions, est caractérisé en ce qu'il comporte un écran muni d'une ouverture de forme prédéterminée, interposée entre le laser excimère et un dispositif de focalisation du faisceau. L'invention concerne également un procédé d'usinage par laser excimère de trous ou de formes à profil variable dans une pièce mécanique dans lequel un faisceau laser est émis sous forme d'impulsions en direction de la pièce mécanique à usiner, caractérisé en ce qu'il consiste à occulter une partie du faisceau laser pour sélectionner une section prédéterminée dudit faisceau, puis à faire varier ladite section du faisceau laser en temps réel pendant l'usinage, la variation de la section étant effectuée en fonction du profil du trou à réaliser dans la pièce mécanique. D'autres particularités ou avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, un schéma d'un premier exemple d'un dispositif permettant de percer des trous cylindriques ou de forme, selon l'invention, - la figure 2, un schéma d'un deuxième exemple d'un dispositif permettant de percer des trous à profil variable, selon l'invention, - les figures 3a et 3b, deux exemples de trous à profil variable obtenus avec une fermeture régulière du diaphragme, - les figures 4a et 4b, deux exemples de trous à profil variable obtenus avec un pilotage indépendant de plusieurs volets du diaphragme ou par déplacement du centrage de l'écran. 3 2781707 Le dispositif représenté sur la figure 1 comporte une source de rayon laser excimère émettant un faisceau de rayonnement sous forme d'impulsions en direction d'une pièce mécanique 20 à usiner, un dispositif de focalisation 30 du faisceau laser monté sur le trajet du faisceau 40 de manière à focaliser le faisceau sur la pièce à usiner et un écran ou un diaphragme 50 interposé entre la source 10 et le dispositif de focalisation 30. L'écran est muni d'une ouverture de forme prédéterminée, disposée dans la partie non focalisée de la trajectoire du faisceau laser 40. L'interposition d'un écran sur la trajectoire du faisceau avant sa focalisation permet d'occulter une partie de ce faisceau et de mettre en forme la partie non occultée du faisceau de façon à ne laisser passer qu'un faisceau ayant une section de la dimension et de la forme voulues. Le dispositif représenté sur la figure 2 comporte les mêmes moyens que le dispositif décrit en liaison avec la figure 1. En outre il comporte des moyens de commande du déplacement de l'écran ou de la déformation du diaphragme permettant respectivement de faire varier la position de l'écran et l'ouverture du diaphragme pendant l'usinage dans un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau laser. Les moyens de commande comportent un dispositif de comptage 60 des impulsions délivrées par le laser excimère 10 relié à un dispositif de pilotage 70 destiné à commander des moyens mécaniques 80 de réglage des déplacements de l'écran ou de l'ouverture du diaphragme en fonction du nombre d'impulsions délivré par le laser excimère. Le déplacement de l'écran ou la déformation du diaphragme est réalisé en temps réel en fonction du temps ou du nombre d'impulsions délivré par le laser ce qui implique que des zones de la surface de la pièce mécanique sont éclairées par le faisceau laser pendant des durées différentes. La profondeur usinée par le faisceau laser en ces zones est alors fonction du temps d'éclairement de ces zones ou du nombre d'impulsions laser impactant ces zones. Le déplacement de l'écran ou la déformation du diaphragme permet d'obtenir des trous ou des formes à profil variable grâce à une variation de la tache focale obtenue 4 2781707 lors de l'interaction du faisceau laser avec la pièce mécanique, de façon que la profondeur usinée dépende de la durée de cette interaction en chaque point de la surface de la pièce. A titre d'exemple, il est possible de réaliser des trous dont la section diminue de façon monotone selon une loi préétablie tels que représentés sur les figures 3a et 3b Pour faire varier la position de l'écran, l'écran peut par exemple être monté sur un chariot mobile dans le plan perpendiculaire à l'axe du faisceau laser. Le pilotage du chariot peut être effectué automatiquement, par exemple par un moteur pas à pas dont la rotation est indexée sur le nombre d'impulsions envoyé par le laser selon un programme préétabli par un ordinateur. L'écran peut être remplacé par un diaphragme comportant des volets à ouverture variable. Dans ce cas, les moyens de commande du déplacement de l'écran sont remplacés par des moyens de commande de la déformation du diaphragme, lesdits moyens de commande pouvant agir de manière indépendante sur chaque volet. Les moyens de commande de la déformation du diaphragme comportent un dispositif de pilotage chargé de gérer l'ouverture ou la fermeture du diaphragme de façon à faire varier la section du faisceau laser et par suite la forme usinée. La variation de la section du faisceau est effectuée automatiquement selon une loi de variation prédéterminée. La déformation du diaphragme est effectuée en temps réel pendant le perçage du trou. La fermeture progressive du diaphragme engendre des trous à profil variable, à section décroissante suivant leur profondeur, par exemple les trous peuvent être coniques ou de la forme d'un entonnoir. La section des trous peut être par exemple circulaire, carrée, polygonale ou autre, selon la forme du diaphragme. 2781707 Des exemples de trous obtenus avec un pilotage indépendant de plusieurs volets du diaphragme ou par déplacement d'un écran sont représentés sur les figures 4a et 4b. Le dispositif de pilotage peut être réalisé par exemple par un moteur pas à pas dont la rotation est indexée sur le nombre d'impulsions envoyé par le laser, selon un programme préétabli, géré par un ordinateur et qui agit par l'intermédiaire d'un levier ou d'une bague de commande (non représenté) du diaphragme. Ce dispositif d'usinage permet en outre, dans le cas de trous cylindriques, d'effectuer un calibrage du trou à réaliser en adaptant l'ouverture du diaphragme de manière à obtenir un trou cylindrique de diamètre plus faible que le diamètre souhaité puis, lorsque le trou a débouché, à ouvrir le diaphragme en fonction du nombre d'impulsions laser de façon à obtenir la section de trou souhaitée. Le calibrage permet d'améliorer la précision dimensionnelle du trou réalisé et d'éliminer la déposition de matière due à l'usinage sur les parois du trou. REVENDICATIONS i Dispositif d'usinage par laser excimère d'un trou ou d'une forme à profil variable dans une pièce mécanique dans lequel un laser excimère délivre un faisceau sous forme d'impulsions, caractérisé en ce qu'il comporte un écran (20) muni d'une ouverture de forme prédéterminée, interposée entre le laser excimère (10) et un dispositif de focalisation (30) du faisceau. 2 Dispositif d'usinage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran (20) est mobile dans un plan perpendiculaire au faisceau laser (40). 3 Dispositif d'usinage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande des déplacements de l'écran dans le plan perpendiculaire au faisceau laser, les déplacements étant effectués en temps réel pendant l'usinage du trou dans la pièce mécanique. 4 Dispositif d'usinage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran est remplacé par un diaphragme comportant des volets à ouverture variable. Dispositif d'usinage selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande automatique de l'ouverture du diaphragme en temps réel et pendant l'usinage du trou dans la pièce mécanique. 6 Dispositif d'usinage selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande de l'ouverture du diaphragme agissent de manière indépendante sur chaque volet. 7 Dispositif d'usinage selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de commande de l'ouverture du diaphragme comportent un 7 2781707 dispositif de comptage (60) des impulsions délivrées par le laser excimère (10). 8 Dispositif d'usinage selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de commande de l'ouverture du diaphragme comportent en outre des moyens mécaniques (80) de réglage de la section d'ouverture du diaphragme et un dispositif de pilotage (70) destiné à commander les moyens mécaniques de réglage de l'ouverture du diaphragme en fonction du nombre d'impulsions délivré par le laser excimère. 9 Dispositif d'usinage selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de pilotage comporte un moteur pas à pas ayant une vitesse de rotation indexée sur le nombre d'impulsions délivré par le laser excimère. Procédé d'usinage par laser excimère de trous ou de formes à profil variable dans une pièce mécanique dans lequel un faisceau laser est émis sous forme d'impulsions en direction de la pièce mécanique à usiner, caractérisé en ce qu'il consiste à occulter une partie du faisceau laser pour sélectionner une section prédéterminée dudit faisceau, puis à faire varier ladite section du faisceau laser en temps réel pendant l'usinage, la variation de la section étant effectuée en fonction du profil du trou à réaliser dans la pièce mécanique. il Procédé d'usinage selon la revendication 10, caractérisé en ce que la variation de la section du faisceau laser est effectuée automatiquement et selon une loi de variation prédéterminée.