Brevet FR2925377A1 — publié le 20090626

Dispositif de découpage par jet d'eau avec dispositif amélioré de maintien des pièces L'invention a pour objet un dispositif de découpage par jet d'eau avec dispositif amélioré de maintien des pièces. Le domaine de l'invention est celui de la découpe de matériaux et en particulier des matériaux composites. Plus précisément le domaine de l'invention est celui de la découpe de ces matériaux par un jet à haute pression. La découpe par jet d'eau abrasif est un procédé connu et appliqué pour la découpe de très nombreux matériaux dont les matériaux composites. On rappel pour mémoire le principe de ce mode de découpe. Une tête mobile de découpe est équipée d'une buse par laquelle est éjecté un jet d'eau de très petit diamètre (0,1 à 0,5mm) à très grande vitesse, et mélangé à des particules abrasives. Ce type de jet a la capacité de traverser n'importe quel type de matériau. La buse est située quelques millimètres au dessus de la pièce à découper. En déplaçant la tête, le jet d'eau réalise la découpe des pièces à la forme désirée. La plaque à découper est généralement placée sur un caillebotis au dessus d'une piscine, dont le rôle est d'amortir le jet une fois que celui ci a traversé la pièce et de limiter le bruit. Dans l'état de la technique, lorsque le jet arrive dans la piscine après avoir traverser la pièce, il y produit un bouillonnement important. Lorsque la plaque à découper est légère, par exemple lorsqu'elle est constituée de matériau composite de faible épaisseur, ce bouillonnement tend à soulever les pièces découpées qui flottent et peuvent venir se loger entre le jet et la plaque restant à découper. Dans d'autre cas, lors de la découpe de pièces très fines, les relaxations de contraintes à l'intérieur de la matière découpée peuvent entraîner un phénomène de � roulage sur elle même � de la plaque qui peut également engendrer des collisions avec la buse. Pour éviter ce type de collision une solution simple consiste à espacer suffisamment les pièces de manière à ce que même si elles se soulèvent, elles ne puissent pas entrer en contact avec la buse. Typiquement sur des machines de découpe plane pouvant recevoir des plaques de 3 m2 pour y tirer des panoplies de pièces complexes une distance de 20 à 40mm minimum entre pièces est suffisante pour éliminer quasiment tout risque de collision. L'inconvénient de ce principe est que la compacité d'imbrication des pièces se trouve dégradée ce qui pose problème particulièrement sur les matériaux d'un prix élevé tels que les plaques de matériaux composites aéronautique. Avec ce type d'espacement la compacité (surface de pièce / surface complète de la plaque) n'excède guère 60%. Dans l'état de la technique on connaît des solutions pour remédier à ce problème mais aucune d'elle n'est vraiment satisfaisante. Parmi ces solutions on connaît en particulier les suivantes. Une première solution consiste à recouvrir la plaque à découper par une autre plaque plus lourde et généralement plus épaisse. Cette autre plaque limite alors les possibilités de flottage des pièces découpées. Cependant, outre le fait que cette autre plaque entraîne la consommation de "tôles martyres", cette solution nuit à la qualité et à la précision de découpe. En effet le jet se trouve alors plus distant des pièces à découper. Comme ce jet est divergent et perd sa cohérence après une distance assez courte, cet éloignement du jet entraîne une variation de cote et une forme de chant en contre dépouille. Cette solution nuit donc à la précision de la découpe et à la qualité des pièces découpées. D'autres solutions existent, basées sur des systèmes à dépression utilisant, par exemple, des ventouses disposées au niveau du caillebotis et qui maintiennent les pièces découpées. Ce type de dispositif peut difficilement être appliqué sur des plaques de grande dimension (plusieurs m2) dans lesquelles sont découpées des panoplies de petites pièces. En effet il faut éviter que le jet ne vienne dégrader les dispositifs de maintien. Il faut donc tenir compte de l'emplacement de ces derniers dans le programme de découpe ce qui d'une par nuit à la compacité de l'imbrication et d'autre part rend difficile la mise en oeuvre lorsque les dites imbrications sont réalisées � au fil de l'eau � dans le cadre d'une production en flux tendu. Encore une autre solution est enseignée par JP2005230994 qui décrit un processus de découpe au jet d'eau pour des semi-conducteurs destinés à la production de puces électroniques, c'est-à-dire des pièces de très petites dimensions . Dans cette réalisation, un film adhésif polyéthylène double face est collé sous la plaque à découper. Il reçoit sur l'autre face un grillage constitué de � corde à piano � d'un diamètre compris entre 0,1 et 0,5mm, puis, un second film de polyéthylène adhésif simple face cette fois, vient se coller sur le grillage et sur la premier film, les deux films ainsi assemblés avec le grillage à l'intérieur étant placés sous le substrat pendant la découpe. On considère dans les procédés de découpe au jet, que la face supérieure est celle qui est exposée au jet d'eau. Lors de la découpe le jet traverse la plaque, réalisant ainsi la découpe de celle-ci en petit carrés. Dans cette mise en oeuvre le jet ne parvient cependant pas à découper les cordes à piano, notamment parce qu'il a perdu de l'énergie à la traversée de la plaque. Ainsi les éléments découpés restent solidaires entre eux, via l'adhésif des parties de film liées au grillage qui n'a pas été coupé, et peuvent donc être facilement récupérés. Un tel dispositif est difficilement transposable sur des pièces de grande dimension compte tenu du temps de préparation nécessaire d'une part et d'autre part car l'épaisseur des pièces concernées par l'invention est faible et insuffisante pour réduire de manière significative la puissance du jet Une autre solution, appliquée dans d'autres technologies de découpe d'une panoplie de pièces sur une même plaque consiste à laisser des attaches, ou � petits ponts �, entre les pièces découpées, ces attaches étant elles mêmes découpées ou cassées par divers moyens après le processus de découpe. L'avantage d'une telle solution est qu'elle permet à l'ensemble de la plaque de conserver une certaine cohésion mécanique ce qui permet de la manipuler facilement, notamment pour retirer en seule fois l'ensemble des pièces découpées de la table de la machine de découpe, particulièrement lorsque l'on souhaite automatiser cette opération. Le faite de conserver cette cohésion de la plaque d'origine limite également de manière efficace les déformations liées à la relaxation de contrainte. Cette technique présente cependant des inconvénients majeurs lorsqu'elle est appliquée dans le cadre d'une technologie de découpe jet d'eau et plus particulièrement encore lorsqu'il s'agit de découper des pièces en matériaux composites. En effet il n'est pas possible d'arrêter et de reprendre subséquemment une découpe : la découpe jet d'eau est la conjonction de deux effets : - La haute pression de l'eau (qui se traduit par une très grande vitesse de sortie de jet ) - La présence d'un abrasif dans le jet. Sans abrasif les matériaux composites haute performance ne peuvent pas être découpés. Pire encore, l'application d'un jet d'eau très haute pression sans abrasif à la surface d'un matériau composite de ce type produit un délaminage important autour de la zone d'impact du jet. L'abrasif est mélangé au jet par l'intermédiaire d'un dispositif de venturi qui aspire l'abrasif grâce à la dépression créée par le passage à grande vitesse du jet dans un � canon �. La procédure de coupure du jet serait donc la suivante : - coupure de l'alimentation en abrasif -réduction progressive de la pression (800 bars) - coupure du jet La remise en route du jet de découpe emprunte la procédure inverse : - mise en route à basse pression (800 bars) - montée progressive en pression (Jusqu'à 2500 ù 3000 bars) - alimentation en abrasif. Même si les montées et les réductions progressives de pression s'opèrent sur des temps brefs, de l'ordre de la seconde, l'interaction du jet haute pression sans abrasif avec la matière présente un risque certain de création de délaminage. C'est pourquoi, notamment, toutes les entrées de jet d'eau dans la matière se font généralement en dehors des zones de pièces dans des zones qui font � squelette � à la panoplie, ultérieurement jetée. Par ailleurs la vitesse de découpe est de l'ordre de 4 à 6m/min selon les machines, les types de matériaux découpés et leur épaisseur. A cette vitesse pendant un cycle "coupure / remise en route" la tête de découpe parcourrait 8 à 10mm, ce qui entraîne une large zone affectée et la création d'une � grosse attache �. Il est possible de dégager la découpe vers le squelette de part et d'autre des attaches, cela a pour conséquence d'allonger de manière importante le temps de découpe. Finalement, il est possible de percer avant le processus de découpe au jet, et ce mécaniquement avec un foret, des zones de part et d'autre des dites attaches, ce qui oblige à disposer d'une tête de perçage sur la machine, outre le fait d'allonger sensiblement les temps de découpe. Dans tous ces cas cependant, les caractéristiques des matériaux sont telles que les attaches ainsi laissées doivent être sciées et limées : elles ne peuvent pas être cassées car l'attache étant encore assez résistante pourrait provoquer des délaminages dans les pièces. Il est donc nécessaire de reprendre les panoplies manuellement ce qui dégrade la productivité de ces opération de découpe de panoplies. Ces solutions de l'état de la technique ne sont pas sans impacts négatifs sur les méthodes d'imbrication et de programmation de découpe. On l'aura compris ces impacts sont le gaspillage de matière par l'augmentation de la surface des chutes, et l'augmentation de la durée de découpe d'une plaque. Dans l'invention on résout ces problèmes en tendant au dessus d'une plaque à découper une pluralité de fils tous parallèles. Ces fils sont situés entre la sortie de la buse délivrant le jet d'eau et la plaque à découper. La tension de ces fils est telle qu'elle permet: - de maintenir la plaque à découper et les pièces découpée lors du processus de découpe; - d'éviter que les fils soient découpés par le jet car ils peuvent se déplacer lors de l'impact avec le jet d'eau; - de limiter la pénétration du jet d'eau dans la plaque à découper sous le fil, ce qui produit une micro attache entre la pièce découpée et la plaque à découper. L'effet des fils est donc au moins double. D'une part ils maintiennent la plaque. D'autre part ils permettent la production de micros attaches qui conservent les pièces découpées liées entre elles et avec les chutes de la plaque. Ces micros attaches étant réduites, et en particulier d'épaisseur moindre que la plaque à découper, elles sont facilement sécable manuellement et sans risque de délaminage des pièces découpées au niveau des micros attaches. L'invention a donc pour objet un dispositif de découpage par jet d'eau comportant un dispositif de maintien d'une plaque d'un matériau à découper, caractérisé en ce que le dispositif de maintien comporte: - un caillebotis pour supporter la plaque à découper, - une pluralité de fils tous parallèles tendus au dessus de la plage à découper, mais sous une buse produisant le jet d'eau. Dans une variante le dispositif selon l'invention est aussi caractérisé en ce que la direction selon laquelle les fils sont tendus est unique. Dans une variante le dispositif selon l'invention est aussi caractérisé en ce que la tension des fils permet au jet d'eau de déplacer ces fils. Dans une variante le dispositif selon l'invention est aussi caractérisé en ce que la tension des fils est telle que pour une force de 10 Newton appliquée au milieu du fil il en résulte une flèche de 20 mm. Dans une variante le dispositif selon l'invention est aussi caractérisé en ce que les fils sont réalisés en acier, l'acier utilisé faisant parti du groupe formé d'au moins les éléments suivants: - acier doux, - acier inoxydable austénitique. Dans une variante le dispositif selon l'invention est aussi caractérisé en ce que les fils ont un diamètre de 0.8 à 1.5 mm. Dans une variante le dispositif selon l'invention est aussi caractérisé en ce qu'un fil est attaché d'un coté à un dévidoir, et de l'autre à un dispositif tenseur. Dans une variante le dispositif selon l'invention est aussi caractérisé en ce que la distance entre deux fils voisins est fonction de la dimension moyenne des pièces à découper. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent: Figure 1: une illustration d'un dispositif selon l'invention vu latéralement; Figure 2: une illustration du dispositif selon l'invention vue d'un plan parallèle aux fils et situé entre les fils et la buse produisant le jet d'eau; Figure 3: une vue latérale d'une plaque découpée au niveau d'une micro attache. Figure 4: une vue de dessus d'une plaque découpée au niveau d'une micro attache. La figure 1 montre un bac 101 sur le fond 102 duquel repose un caillebotis 103 dont la hauteur est inférieure à la profondeur du bac. Le caillebotis 103 est formé d'au moins une pluralité de tiges verticales dont les sommets définissent un plan sur lequel est posée une plaque 104 à découper. Le bac 101 est rempli d'un liquide 105, par exemple, de l'eau. La figure 1 montre aussi une buse 106 extrémité d'un dispositif de projection d'eau à haute pression selon un jet 107. Le jet 107 comporte, comme précédemment décrit, de l'eau et un élément abrasif. Le bac 101 est rempli d'un liquide, par exemple de l'eau, dont le rôle est d'amortir le jet et de diminuer le bruit du à son impact face à un obstacle. Le bac 101 est aussi appelé la piscine. Le bac 101 est rempli par le liquide 105 jusqu'à un niveau proche mais légèrement inférieur à la hauteur du caillebotis 103. La plaque 104 est découpée par le déplacement du jet 107 au dessus de la plaque 104. Ce déplacement dessine une panoplie de pièces qui doivent être produites à partir de la plaque 104. La figure 1 montre un fil 108 tendu de part et d'autre des bords du bac 101. Dans la pratique il existe une pluralité de fils tendus dans la même direction que le fil 108. Les fils peuvent être tendus à la main entre deux taquets. Dans une variante préférée les fils sont dévidés et tendus via un dispositif tenseur. Ce dispositif tenseur comporte un dévidoir 109 composer d'une bobine et d'un frein 110 commandé par une électronique de commande qui permet de bloquer le dévidoir quand la longueur de fil requise a été dévidée. Le dévidoir 109 est fixé sur un des bords du bac 101. A l'extrémité opposée au dévidoir 109, fixé sur le bord du bac 101 le dispositif selon l'invention comporte un dispositif 111 de traction du fil 108. Le dispositif 111 comporte des moyens d'entraînement du fil 108 pour le dévider du dévidoir 109. Le dispositif 111 comporte par exemple deux galets rotatifs dont au moins un est entraîné par un moteur, ces deux galets pinçant le fil 108 pour l'entraîner. Le moteur est alors piloté par la même logique de commande que le frein 110. Les actions combinées du moteur et du frein permettent de contrôler la tension du fil 108. Dans la pratique les dispositifs 109-111 sont répétés autant de fois qu'il y a de fils tendus au dessus de la plaque 104. Le moteur peut dans ce cas être mutualisé entre plusieurs dispositif dévidoir. Les fils sont, dans une variante de l'invention, constitués d'acier doux ou d'acier inoxydable austénitique. Le diamètre des fils est compris dans l'intervalle défini par les valeurs suivantes: 0.8mm à 1.5mm. Ce diamètre dépend de l'épaisseur de la plaque à découper. La figure 1 montre aussi que le fil 108 est tendu à une hauteur située entre la buse 106 et la plaque 104 de manière à intercepter le jet 107 lorsque la buse 106 passe au dessus du fil 108. Tous les fils sont tendus à la même hauteur relativement à la plaque 104. Les effets de cette interception seront décrits ultérieurement. La figure 2 montre la plaque 104 posée sur le caillebotis 103 vue de dessus. La figure 2 montre aussi le fil 108 ainsi qu'un autre fil 201. Les fils 108 et 201 font parti d'une pluralité de fils tendus au dessus de toute la surface de la plaque que la buse 106 est capable d'explorer. Les fils de la pluralité de fils sont tous tendus selon une même direction, à une même hauteur, ils ont des caractéristiques mécaniques identiques et ils sont tendus à la même tension. Dans une réalisation de l'invention cette tension est telle que pour une force de 10 Newton appliquée au milieu du fil, cette force produit une flèche de 20mm sur le fil. Les fils de la pluralité de fils sont distants les uns des autres d'une distance correspondant à une dimension moyenne des pièces à découper. En d'autres termes la distance entre deux fils est telle qu'elle est légèrement inférieure à la plus grande dimension de la plus petite des pièces à découper. Le nombre de fils de la pluralité dépend des dimensions de la surface de travail du jet 107. Plus précisément, le nombre de fils de la pluralité de fils dépend de la distance que peut parcourir la buse 106 perpendiculairement à la direction dans laquelle sont tendus les fils. Dans une variante de l'invention cette distance est standardisée et comprise dans un intervalle dont les extrémités sont 5cm et 50cm. La figure 2 montre aussi une coupure 202 réalisée dans la plaque 104 par le passage du jet 107 au niveau de la coupure 202. La figure 2 montre encore que les fils 108 et 201 ont été attaqués par le jet 107 laissant des empreintes 203 et 204 dans les fils 108 et 201. Ces empreintes correspondent à des arrachements de matière du à l'action du jet 107. Cependant les fils de la pluralité de fils ne sont pas sectionnés. Ainsi lors du passage du jet au niveau du fil 108 l'interaction entre les deux tend à éloigner le fil du jet, le fil entrant alors en vibration dans le plan de la plaque, selon une fréquence assez basse (quelques Hertz), autour de sa position d'équilibre. Dans ces conditions, bien qu'entamé, le fil n'est pas coupé par le jet d'eau et il subsiste une section résiduelle qui permet d'une part de conserver la tension du fil et le maintien des pièces, d'autre part, à l'issue de la découpe de pouvoir ré-enrouler le fil ou de dévider une longueur de fil neuve pour la découpe d'une autre plaque. Ce déplacement du fil 108 sous l'action du jet d'eau agit localement à la manière d'un déflecteur, et entraîne une découpe incomplète de la portion de matière se situant sous le fil 108, engendrant une micro attache entre les parois opposées de la coupure 202. La figure 3 montre une vue latérale locale de la plaque 104 au niveau de l'intersection de la coupure 202 et du fil 108. La figure 3 montre une micro attache 301 reliant les deux bords de la coupure 202. Cette micro attache est située sur la partie inférieure de la plaque 104. De part l'action du fil 108 la micro attache est plus fine en son centre que sur ses bords qui sont rattachés à la plaque 104. Cette caractéristique facilite la rupture de la micro attache tout en prévenant d'éventuel délaminage de la pièce découpée au niveau de la micro attache. Une micro attache présente aussi les caractéristiques suivantes: - une longueur L égale à la largeur de découpe (diamètre du jet d'eau) entre 0,2 et 0,5 mm selon les caractéristiques du jet; - une largeur D égale à environ le diamètre du fil, entre 0,6 et 1 fois ce diamètre approximativement; - et une épaisseur moyenne e égale à environ l'épaisseur de la plaque moins le diamètre du fil Si le fil présente un diamètre de 1 mm et la plaque une épaisseur de 2,5 mm, l'épaisseur de la micro attache sera d'environ 1,5 mm. La figure 4 qui est une vue locale de dessus de la plaque 104 au même niveau que pour la figure 3. La figure 4 illustre les caractéristiques qui viennent d'être énoncées pour la micro attache 301. Avec le dispositif selon l'invention il est donc possible de garantir une découpe propre et une manipulation aisée des plaques à découper, pièces découpées et chutes. En effet après un cycle de découpe les pièces restent attachées aux chutes ce qui maintient une cohérence mécanique entre eux et permet de les manipuler comme une plaque à part entière. Il est donc aisé de remplacer la plaque découpée, alors constituée des chutes et des pièces découpées, par une nouvelle plaque à découper. La séparation des chutes et des pièces découpées se fait alors qu'un nouveau cycle de découpe a commencé. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de découpage par jet (107) d'eau comportant un dispositif de maintien d'une plaque (104) d'un matériau à découper, caractérisé en ce que le dispositif de maintien comporte: - un caillebotis (103) pour supporter la plaque à découper, - une pluralité (108, 201) de fils tous parallèles tendus au dessus de la plage à découper, mais sous une buse (106) produisant le jet d'eau. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la direction selon laquelle les fils sont tendus est unique. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la tension des fils permet au jet d'eau de déplacer ces fils. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tension des fils est telle que pour une force de 10 Newton appliquée au milieu du fil il en résulte une flèche de 20 mm. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fils sont réalisés en acier, l'acier utilisé faisant parti du groupe formé d'au moins les éléments suivants: - acier doux, - acier inoxydable austénitique. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fils ont un diamètre de 0.8 à 1.5 mm. 7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un fil est attaché d'un coté à un dévidoir (109), et de l'autre à un dispositif tenseur (111). 8 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la distance entre deux fils voisins est fonction de la dimension moyenne des pièces à découper.