Brevet FR2899147A1 — publié le 20071005

L'invention concerne un procédé de marquage par laser de décors sur des pièces planes ou non, en tous matériaux utilisés dans les décors tels que matières plastiques, aluminium brut ou anodisé, métaux bruts ou revêtus, bois ou composites bruts ou revêtus, ou analogues, dont la plus grande dimension peut atteindre plusieurs décimètres, et peut notamment être supérieure à un mètre L'invention concerne encore un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. L'invention trouvera son application dans de nombreux secteurs industriels, dans lesquels des pièces d'aspect reçoivent une décoration fonctionnelle et/ou esthétique, et trouvera un intérêt tout particulier dans le domaine automobile. Les pièces à traiter sont, selon les cas, brutes, peintes 15 ou encore subissent un traitement chimique permettant des rendus plus élaborés. Les contraintes sont essentiellement de deux ordres: - les décors réalisés ne doivent pas présenter pas de discontinuités visibles ; 20 - le procédé utilisé, dans sa mise en oeuvre, doit permettre de couvrir la gamme de rendus esthétiques requise par l'application, et notamment, dans les applications les plus demandées: -ablation de la couche de peinture éventuelle, afin de 25 révéler une sous-couche en contraste avec la couleur initiale de la pièce. L'épaisseur de la couche est constante sur un modèle de pièce donné, mais peut varier d'un modèle à l'autre ; - ablation partielle de la surface (contraste moins accentué pour un rendu plus discret) ; 30 - modification de l'état de surface par un changement de couleur. Le matériau, traité au préalable, voit sa couleur modifiée sous l'effet du laser ; - creusage, le rendu final pouvant être amélioré par un dépôt ultérieur (vernis par exemple). 35 - effet thermique (rendu gris, noir ou "brûlé"). La complexité des décors, conjuguée à celle des formes des pièces à décorer, rend nécessaire l'emploi d'un système de pilotage, tel qu'un calculateur programmable, qui doit permettre d'offrir une souplesse d'utilisation : - création rapide de programmes : - importation aisée de motifs existants et souplesse dans la création de décors; - accessibilité des réglages - sauvegarde des programmes réalisés : - mémorisation de la géométrie des décors ; - mémorisation des paramètres de rendu. chargement simple et rapide des programmes existants L'utilisateur attend la même souplesse dans la réalisation des pièces, et veut disposer de moyens lui permettant de réaliser indifféremment des prototypes, des travaux unitaires ou de petite série, ou encore une production de moyenne ou grande série, sans nécessiter des réglages longs et coûteux de changement de production, ni de test des nouvelles réalisations. Face à cette problématique, il a été jusqu'à présent imaginé d'utiliser des moyens de marquage par laser, en raison de leur capacité théorique à répondre aux critères esthétiques exigées, et à offrir une précision de trait ou de décor supérieure aux techniques antérieures de l'état de la technique, telles que la sérigraphie, la gravure mécanique, ou analogues. La capacité théorique du marquage laser à remplir les fonctions demandées se heurte, toutefois, à une difficulté lors de la décoration de pièces planes de grandes dimensions, et, plus encore, lors de la décoration de pièces gauches. La difficulté est liée au problème de concentration du faisceau lumineux, dans le cas de la décoration de zones éloignées de la source. L'utilisation de systèmes optiques, de focale en général inférieure à 300mm, permet de décorer des surfaces de l'ordre de 350mm x 350 mm. Mais le problème devient rapidement insoluble, quand il s'agit par exemple de décorer un panneau de carrosserie automobile, une pièce fortement gauchie telle qu'une aile ou encore une garniture intérieure, telle que console de bord, baguette de tableau de bord ou encore de portière. De telles pièces peuvent atteindre une longueur développée supérieure à un mètre, et les systèmes existants ne sont pas utilisables en l'état. Pour remédier à cette difficulté, il a été imaginé de segmenter la surface à décorer en champs de dimensions aptes à être traitées par les moyens existants. Toutefois, ce mode opératoire rencontre rapidement ses limites, précisément en raison de la difficulté de repositionnement et de jonction des zones successivement traitées par le moyen de marquage (par déplacement, ou du moyens de marquage, ou de la pièce à décorer, ou des deux). Les défauts optiques sont inévitables, et rendent la pièce impropre à l'emploi, surtout dans le domaine automobile où une qualité de finition irréprochable est requise. Le problème de focalisation du faisceau se traduit, encore, par un rendu différent selon l'éloignement, par rapport à la source, de la zone à décorer. Les systèmes existants combinent, en général, l'utilisation de miroirs solidaires de cadres de galvanomètres montés à l'équerre l'un de l'autre, qui dévient le faisceau laser en provenance d'une source, selon les signaux électriques appliqués aux deux galvanomètres, et d'un objectif à champ plan, de façon à couvrir l'ensemble de la surface à décorer. Un tel objectif, coûteux, ne garantit pas la perfection de géométrie pour une décoration tridimensionnelle de grande dimension, et altère la répartition de la densité d'énergie apportée sur la surface à décorer. Le système selon l'invention offre la possibilité de graver des motifs dans un champ tridimensionnel de dimension importante, et de garantir la continuité et la précision des motifs de décors. A cet effet, l'invention consiste en un procédé de marquage par laser de décors sur des pièces planes ou non, en tous matériaux utilisés dans les décors tels que en matières plastiques, aluminium brut ou anodisé, métaux bruts ou revêtus, bois ou composites bruts ou revêtus, ou analogues, dont la plus grande dimension peut atteindre plusieurs décimètres, et peut notamment être supérieure à un mètre, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes de : - modélisation et génération de polylignes tridimensionnelles dans l'espace - génération de vecteurs tridimensionnels - traitement en temps réel des vecteurs tridimensionnels - génération de consignes de déplacements tridimensionnels - gestion et génération de paramètres de pilotage d'au moins une source laser - pilotage d'un système de déviation tridimensionnel. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système de déviation tridimensionnel comporte un axe optique linéaire. Selon une autre caractéristique encore de l'invention, les paramètres de pilotage de la source laser sont conçus aptes à agir sur la puissance, la fréquence, ou le hachage de cette source. L'invention consiste encore en un dispositif de mise en oeuvre d'un tel procédé, caractérisé par le fait qu'il comporte un axe optique linéaire constitué par une lentille mobile selon la direction du faisceau émis par une source laser, lentille qui est interposée entre cette dernière et le premier de deux galvanomètres mobiles selon des axes optiques rotatifs, et qui se succèdent sur la trajectoire dudit faisceau. Selon une autre caractéristique de ce dispositif, il comporte une source laser de type YAG pompé par diode ou YVO4 pompé par diode, ou encore de type fibré dopé Ytterbium. Selon une autre caractéristique de l'invention, le fonctionnement de la source laser se fait en mode relaxé avec des impulsions de quelques kilowatts. Selon une autre caractéristique encore de l'invention, le système comporte une fonctionnalité plug-in d'exportation de décors tridimensionnels depuis un système de CAO tridimensionnel, vers un logiciel spécifique de pilotage conçu apte à générer les vecteurs tridimensionnels et à piloter les paramètres de la source laser. Selon une autre caractéristique, le dispositif comporte un circuit ou une carte spécifique de synchronisation conçue apte à synchroniser les consignes lasers et les déplacements destinés, respectivement, à ladite source laser et à des moyens d'asservissement, tels que des cartes électroniques, des axes optiques. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre, illustrant un mode représentatif, nullement limitatif, de mise en oeuvre de l'invention. Cette description est illustrée par la figure unique, qui est un logigramme représentant schématiquement l'interaction des différents moyens de pilotage et des éléments constitutifs d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé. Le procédé selon l'invention concerne le marquage par laser de décors sur des pièces planes ou non, en tous matériaux utilisés dans les décors tels que matières plastiques, aluminium brut ou anodisé, métaux bruts ou revêtus, bois ou composites bruts ou revêtus, ou analogues, dont la plus grande dimension peut atteindre plusieurs décimètres, et peut notamment être supérieure à un mètre. Il comporte les étapes suivantes : - modélisation et génération de polylignes tridimensionnelles dans l'espace - génération de vecteurs tridimensionnels - traitement en temps réel des vecteurs tridimensionnels - génération de consignes de déplacements tridimensionnels - gestion et génération de paramètres de pilotage d'au moins une source laser - pilotage d'un système de déviation tridimensionnel. Le système de déviation tridimensionnel, dans une application préférentielle, comporte un axe optique linéaire. Les paramètres de pilotage de la source laser sont conçus aptes à agir sur la puissance, la fréquence, ou le hachage de cette source laser. La démarche inventive de l'invention consiste en particulier dans le choix d'une architecture permettant d'obtenir, au niveau de la pièce à décorer, une densité de puissance importante pour permettre un marquage de bonne qualité. En effet, l'art antérieur se limitait en ce que, l'augmentation d'une longueur focale se traduisant nécessairement par une augmentation du diamètre du spot sur la pièce à décorer, et la densité de puissance diminuant avec la distance, il semblait impossible de créer, au niveau de la pièce à décorer, les conditions d'un marquage de qualité. A cet effet, l'invention privilégie le choix de lasers switchés, c'est-à-dire pilotés de façon à émettre des impulsions d'énergie, et à utiliser au mieux la puissance de crête disponible. Ceci permet d'obtenir, au niveau du spot, une répartition gaussienne de densité d'énergie très pointue, ce qui se traduit par une forte concentration d'énergie sur une très petite surface centrale du spot, et permet ainsi un marquage de très haute qualité et de grande finesse, même à une distance de l'ordre d'un mètre après la sortie du faisceau des galvanomètres. Le dispositif de mise en oeuvre d'un tel procédé, comporte une source laser émettant un faisceau, un axe optique linéaire constitué par une lentille mobile selon la direction du faisceau émis par cette source laser. Cette lentille est interposée entre cette dernière et le premier de deux galvanomètres mobiles selon des axes optiques rotatifs, et qui se succèdent sur la trajectoire du faisceau. Elle permet d'effectuer une défocalisation, donc de compenser les écarts de distance quand, au niveau de la pièce à décorer, on s'éloigne obliquement de l'axe de repos du second galvanomètre sur la trajectoire du faisceau. Dans une application préférée, le fonctionnement de la source laser se fait en mode relaxé avec des impulsions de 30 quelques kilowatts. Le système est capable de générer des motifs en trois dimensions afin de s'adapter aux objets non plans. Le système permet un réglage de ses paramètres de fonctionnement afin de répondre aux variantes de rendu esthétique. 35 Les variantes sont obtenues par le réglage des paramètres essentiels du laser dans des plages compatibles avec la diversité des cas à traiter. Le système permet d'importer des décors, en deux ou trois dimensions, à partir de fichiers informatiques dans des formats standard (tels que dxf , iges par exemple), ainsi que la création de nouveaux motifs. Le système permet la création de programmes pièces, pouvant être chargés à la demande. Le système permet encore l'automatisation de l'exécution 10 des programmes pièces, à l'unité ou par séries. Le volume de marquage pouvant être traité par le système est, dans une application préférée nullement restrictive, d'environ 1000mmxl000mmx80mm. On comprendra, dans la suite de la description qui va 15 suivre, que ce qui est décrit pour une géométrie tridimensionnelle de décor s'applique, bien évidemment, pour une géométrie bidirectionnelle de décor plan. Un logiciel 1 de CAO 3D assure les fonctions suivantes : -création depuis un fichier 2 bi ou tridimensionnel, un 20 plan de pièce, et/ou importation de modèles pièces ou/et de décors en bi ou tridimensionnel; - création et/ou importation des décors bi ou tridimensionnels sous forme de polylignes 3; - transformation des entités pour amener l'ensemble de la 25 géométrie dans le repère du laser ; -exportation des décors bi ou tridimensionnels, via un plug-in 4 spécifique, vers un logiciel spécifique de pilotage 5. Un logiciel spécifique de pilotage 5 assure : - l'importation de fichiers décors 2A, au format DXF , 30 composés de polylignes 3A en bi ou tridimensionnel; - l'importation directe depuis le logiciel 1 de CAO bi ou tridimensionnelle, via le plug-in 4, des décors ; - la génération de vecteurs 6 bi ou tridimensionnels, décrivant la géométrie des décors, et du paramétrage 7 du laser 35 (fréquence, durée des tirs laser, puissance). Les fonctions de ce logiciel spécifique de pilotage 5 permettent encore la réalisation des programmes pièces, la validation des programmes et le marquage de pièces en unitaire ou en petites séries. Le logiciel spécifique de pilotage 5 gère, encore, la sauvegarde et le chargement avec un fichier pièce 8 format propriétaire. Une carte spécifique de synchronisation 9 synchronise les consignes laser 10 du laser 11 et les déplacements destinés, respectivement, à la source laser et à des cartes électroniques d'asservissement des axes optiques X, Y 12 (têtes de déviation de galvanomètres 13) et Z 14 (axe optique linéaire 15 selon la direction du faisceau). Les axes X/Y 12 et Z 14 garantissent la focalisation du 15 faisceau laser 16 dans le volume de marquage 17: - une tête galvanométrique X/Y, combinaison de deux miroirs montés sur des galvanomètres 13, déplace le faisceau selon des coordonnées X/Y. Un déplacement des axes X/Y seul permettrait des décrire des géométries inscrites dans une portion de sphère. 20 - un système de déviation Z, ou axe optique linéaire 15, déplacement d'une lentille dans un ensemble optique, modifie la distance de focalisation du laser 11, permettant ainsi, par combinaison avec les axes X et Y 12, de décrire une géométrie en tridimensionnel dans le volume de marquage 17, ou en 25 bidimensionnel dans un des plans du volume 17. Un logiciel machine 18 automatise les tâches de chargement et de gestion d'une machine dédiée au marquage de grandes séries de pièces : - pilotage du logiciel spécifique de pilotage 5 via une 30 interface automation 19. - gestion 20 et pilotage des organes mécaniques de la machine 21 (axe motorisé de prépositionnement, ouverture/fermeture de porte...) - gestion des séries (démarrage, chargement des programmes, 35 exécution des programmes...). - interface opérateur. Dans une application préférée, quatre types de laser peuvent être mis en oeuvre, selon les types de matériaux à décorer. On citera notamment : -laser YVO4, pompé diode 20W, longueur d'onde 1064 nm, puissance moyenne 20W, stabilité Le système de déviation optique X/YZ, quant à lui, présente, dans une réalisation préférée, les caractéristiques suivantes : diamètre d'entrée du faisceau 8mm, vitesse typique de traitement 8rad/s, vitesse typique de positionnement 18 rad/s, dimension du champ X/Y 1000mmmx 1000mmm, plage de défocalisation Z ± 40mm, diamètre de spot fonction de M2. Bien évidemment, ce qui est décrit ci-dessus relativement à l'obtention de décors polylignes, permet d'effectuer également les opérations de remplissage entre de tels décors, avec la plus grande facilité. Le procédé, tel que décrit ci-dessus, est, encore, de préférence avec des puissances de laser plus élevées, applicable à des travaux de microsoudage ou similaire. On comprendra que ce procédé permet le soudage de tous les matériaux, y inclus les matières plastiques. Bien que l'invention ait été décrite à propos d'un mode de réalisation particulier, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée, et qu'on peut y apporter diverses modifications de formes, de matériaux, et de combinaison de ces divers éléments, sans pour cela s'éloigner du cadre et de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de marquage par laser de décors sur des pièces planes ou non, en tous matériaux utilisés dans les décors tels que matières plastiques, aluminium brut ou anodisé, métaux bruts ou revêtus, bois ou composites bruts ou revêtus, ou analogues, dont la plus grande dimension peut atteindre plusieurs décimètres, et peut notamment être supérieure à un mètre, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes de : -modélisation et génération de polylignes (3) tridimensionnelles dans l'espace - génération de vecteurs tridimensionnels (6) - traitement en temps réel des vecteurs tridimensionnels (6) - génération de consignes de déplacements tridimensionnels (12, 14) - gestion et génération de paramètres de pilotage (7) d'au 20 moins une source laser (11) - pilotage d'un système de déviation tridimensionnel (13, 15). 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que le système de déviation tridimensionnel comporte 25 un axe optique linéaire (15). 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les paramètres de pilotage (10) de la source laser (11) sont conçus aptes à agir sur la puissance, la fréquence, ou le hachage de cette source. 30 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les paramètres de pilotage (10) de la source laser (11) sont conçus aptes à l'exécution d'opérations de soudage. 5. Dispositif de mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des 35 revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un axe optique linéaire (15) constitué par une lentille mobile selon la direction (Z) du faisceau (16) émis par une source laser(11), lentille qui est interposée entre cette dernière et le premier de deux galvanomètres (13) mobiles selon des axes optiques rotatifs (X, Y), et qui se succèdent sur la trajectoire dudit faisceau (16). 6. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé par le fait qu'il comporte une source laser (11) de type YAG pompé par diode ou YVO4 pompé par diode, ou encore de type fibré dopé Ytterbium. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, 10 caractérisé par le fait que le fonctionnement de la source laser (11) se fait en mode relaxé avec des impulsions de quelques kilowatts. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait qu'il comporte une fonctionnalité plug-in 15 (4) d'exportation de décors tridimensionnels depuis un système de CAO tridimensionnel (1), vers un logiciel spécifique de pilotage (5) conçu apte à générer les vecteurs tridimensionnels (6) et à piloter les paramètres (7) de la source laser. 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, 20 caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit ou une carte spécifique (9) de synchronisation conçue apte à synchroniser les consignes lasers (10) et les déplacements (12, 14) destinés, respectivement, à ladite source laser (11) et à des moyens d'asservissement des axes optiques (X, Y, Z), tels que des cartes 25 électroniques. 10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte une source laser (11) apte à générer la puissance nécessaire pour des travaux de soudage.