Brevet FR3001647A1 — publié le 20140808

L'invention se rattache au secteur technique de l'usinage d'une pièce quelconque au moyen d'un laser à régime impulsionnel. Selon l'état de la technique et d'une manière parfaitement connue pour un homme du métier, pour réaliser un usinage laser on déplace le faisceau laser par rapport à l'échantillon considéré de manière à décrire une trajectoire qui est correspondant à l'usinage souhaité. Le laser est déplacé de sorte qu'il y a recouvrement de l'énergie déposée par deux impulsions successives. On renvoie à la figure 1 qui montre les impacts des impulsions laser lors de l'usinage d'une ligne selon l'état antérieur de la technique. Le taux de recouvrement correspond au rapport entre l'écart entre deux impacts successifs et le diamètre dudit impact. La matière est ainsi usinée de proche en proche. Pour obtenir un taux de recouvrement précis, il est possible de régler la vitesse de balayage en prenant en considération la cadence du laser. Plusieurs passages peuvent être nécessaires pour réaliser l'usinage recherché. Un procédé d'usinage par laser, selon l'état de la technique, comme rappelé ci-dessus, peut affecter la qualité de l'usinage. En effet, le matériau subi une transformation physique lorsque l'interaction avec le laser est intense. Le matériau est soumis à une température supérieure à la température de sublimation en un temps d'autant plus court que la durée de l'impulsion est courte. Une partie de l'énergie déposée se diffuse sur les bords ou sur le fond de l'usinage considéré, modifiant ainsi le matériau. Le dépôt de l'énergie diffusée sur les bords de l'usinage s'effectue selon deux échelles : - Une échelle dite, monocoup, qui correspond à la diffusion thermique sur les bords du matériau lors d'un seul impact. Ce dépôt d'énergie dépend du processus en tant que tel. Le phénomène thermique a tendance à décroitre avec la durée d'impulsion mais est toujours présente. - Une échelle dite, cumulative, qui dépend du taux de répétition du laser et du taux de recouvrement. Ainsi, lorsque le temps caractéristique de diffusion de la chaleur est supérieur à la période du laser, la chaleur n'a pas le temps de s'évacuer du bord de découpe entre deux impulsions. Il en résulte que la température aux bords s'élève excessivement générant une zone affectée thermiquement. On renvoie à la courbe illustrée figure 2. Pour remédier à ces inconvénients on a proposé d'augmenter la vitesse de balayage en diminuant le taux de recouvrement et en augmentant le nombre de passages. Toutefois, cette solution n'est pas satisfaisante étant donné qu'elle conduit à une répartition aléatoire du dépôt d'énergie et à une moins bonne ma(i)îtrise de la précision d'usinage. L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients d'une manière simple, sûre, efficace et rationnelle. Le problème que se propose de résoudre l'invention est d'obtenir une meilleure répartition temporelle de l'énergie. Pour résoudre un tel problème il a été conçu un procédé d'usinage laser à régime impulsionnel par déplacement du faisceau laser par rapport à l'échantillon à usiner selon lequel on réalise l'usinage en plusieurs passages pour lesquels le recouvrement des faisceaux est nul de manière à décaler spatialement les impacts de chaque passage. On renvoie à la figure 3 qui montre la répartition temporelle du dépôt d'énergie résultant des caractéristiques de l'invention. Pour réaliser l'usinage en tant que tel lors du premier passage, on réalise un ensemble d'impacts espacés d'une distance déterminée, - on réitère l'opération avec un décalage spatial réduit de sorte que chaque nouvel impact recouvre l'un des impacts du précédent passage, - on répète l'opération autant de fois que nécessaire pour que l'avancée des tirs laser forme l'usinage désiré. L'invention concerne également le dispositif d'usinage pour la mise en oeuvre du procédé. Dans ce but, le dispositif d'usinage par tir laser à régime impulsionnel par déplacement du faisceau laser sur un produit à usiner comprend des moyens aptes à réaliser l'usinage en plusieurs passages pour lesquels le recouvrement du faisceau est nul de manière à décaler spatialement les impacts de chaque passage, lesdits moyens étant constitués par : - un laser impulsionnel assujetti à un système de déclenchement, - un système de synchronisation du système de déclenchement, - un obturateur rapide disposé sur le trajet du faisceau du laser et assujetti au système de synchronisation, - un système de déplacement relatif du faisceau par rapport au produit à usiner, - un système de pilotage programmable pour l'asservissement du système de déplacement et du système de synchronisation, - un système optique de focalisation du faisceau laser sur le produit à usiner. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 montre les impacts des impulsions laser lors de l'usinage d'une ligne selon l'état de la technique. la figure 2 montre l'élévation de température aux bords de l'usinage selon l'état antérieur de la technique. la figure 3 est une vue semblable à la figure 2 montrant l'élévation de température aux bords de l'usinage selon l'invention. la figure 4 montre le principe du procédé d'usinage laser selon l'invention. la figure 5 montre l'application du procédé d'usinage laser selon l'invention sur du polycarbonate en comparaison avec un procédé d'usinage laser selon l'état antérieur de la technique. la figure 6 montre un schéma fonctionnel du dispositif laser pour la réalisation d'un usinage. la figure 7 montre les séquences de réalisation de l'usinage. la figure 8 est un schéma de réalisation d'un passage lors de la réalisation de l'usinage. la figure 9 montre le chronogramme des signaux. la figure 10 montre la réalisation de matrices de trous selon le procédé, sans pré-compensation. la figure 11 est une vue semblable à la figure 10, avec pré-compensation. Selon l'invention, le procédé d'usinage par tirs laser à régime impulsionnel se caractérise par plusieurs passages pour lesquels le recouvrement des faisceaux est nul. Le fait de décaler spatialement les impacts de chaque passage permet d'obtenir un dépôt d'énergie équivalent aux solutions de l'état antérieur de la technique mais avec une meilleure répartition temporelle du dépôt d'énergie, ce qui laisse plus de temps à la chaleur pour se diffuser entre deux impacts, comme le montre la courbe de la figure 3 à comparer avec la courbe de la figure 2 correspondant à l'état de la technique. La figure 4 montre le procédé d'usinage à la base des caractéristiques selon l'invention. La flèche F correspond au sens de déplacement relatif du faisceau par rapport à l'échantillon à usiner. Lors du premier passage, on réalise une somme d'impacts (H) espacés d'une distance choisie. Dans l'exemple illustré, les impacts sont jointifs, sans recouvrement. L'opération est ensuite réitérée avec un léger décalage spatial de sorte que chaque nouvel impact (I2) vient recouvrir l'un des précédents (H). La cadence vue localement par le matériau est inférieure à la cadence du laser. La chaleur déposée a eu le temps de s'évacuer vers le reste du matériau et le phénomène d'accumulation est réduit, comme le montre la courbe de la figure 3. L'opération est répétée autant de fois qu'il est nécessaire pour que l'avancée des tirs laser vienne former l'usinage désiré. La figure 4 montre un usinage avec 5 passages d'un ensemble d'impacts (H), (I2), (I3), (I4), (I5). Dans cette figure, les zones foncées correspondent à la série d'impacts qui vient d'être réalisée tandis que les zones claires correspondent aux séries d'impacts précédents et qui ont eu le temps de revenir à l'équilibre thermique. Cette limitation des effets thermiques permet d'obtenir un usinage de meilleure qualité et ce à des puissances bien plus élevées qu'avec le procédé classique. Il en résulte un gain à la fois en temps et en qualité sur la matière usinée aussi bien au fond de l'usinage que sur les bords. On renvoie à la figure 5 qui montre un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention sur un échantillon de polycarbonate. La rainure du haut (A) est réalisée suivant le procédé revendiqué. Aucun effet thermique n'est visible sur les bords de cette rainure (A). La rainure (B) est réalisée suivant un procédé d'usinage laser classique et montre une modification structurelle du matériau sur les flancs de l'usinage. A noter que dans les deux cas, la répartition globale de l'énergie déposée est la même. La figure 6 montre un schéma fonctionnel du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Pour l'essentiel ce dispositif comprend : - un laser impulsionnel (1) assujetti à un système de déclenchement (2), - un système de synchronisation (9), - un système de déclenchement (2), - un obturateur rapide (8) disposé sur le trajet du faisceau (3) du laser et assujetti au système de synchronisation (9), - un système (6) de déplacement relatif du faisceau par rapport à l'échantillon (4) à usiner, - un système de pilotage programmable (7) pour l'asservissement du système de déplacement (6) et du système de synchronisation (9), - un système optique (5) de focalisation du faisceau laser sur l'échantillon (4) à usiner. Le système de déclenchement (2) du laser impulsionnel (1) peut être du type électro-optique ou du type acousto optique. Avantageusement, pour assurer la répétabilité des caractéristiques du tir laser, ce dernier fonctionne à cadence fixe. L'obturateur rapide (8), qui est placé sur le trajet du faisceau (3), est piloté par un signal d'ouverture donné par le système de synchronisation (9). Le système de déplacement (6) consiste soit à dévier le faisceau par exemple au moyen de miroirs galvanométriques, soit à déplacer l'échantillon sous le système optique par un système de platines, soit encore à déplacer simultanément le faisceau et l'échantillon. Comme indiqué le système de déplacement (6) est asservi par le système de pilotage (7) qui est programmé de façon à décrire toutes les séquences de l'usinage réalisé notamment les déplacements du système (6) et les séquences de tirs laser. Le système de pilotage (7) envoie vers le système de synchronisation (9) un signal (79) qui commande le tir laser en fonction du retour d'asservissement du système de déplacement (6). Ce signal 79 est un signal logique qui vaut 1 lorsque le faisceau doit être envoyé sur l'échantillon (4). le signal valant 0 lorsque l'usinage s'arrête lors d'une discontinuité dans le motif décidé. Lorsque le signal 79 passe à l'état logique 1, le système de synchronisation (9) génère un signal d'horloge 92(.) synchronisé avec le front de montée du signal 79 et l'envoie au système de déclenchement ((C2))(2). Il en résulte que le tir laser est synchronisé sur le système de déplacement (6). Le système de synchronisation (9) génère en même temps un signal 98 qui ouvre l'obturateur rapide (8) pour laisser passer le faisceau. Lorsque le signal 79 passe à l'état logique 0, le signal 92 n'est pas modifié et le système de synchronisation (9) envoie un signal de fermeture de l'obturateur rapide (8). On renvoie aux figures 7, 8 et 9 qui montrent le déroulement d'une séquence d'usinage utilisant le procédé et le chronogramme des signaux 92, 98, 79. La figure 7 montre les séquences de réalisation de l'usinage, la figure 8, le schéma de réalisation d'un passage lors de la réalisation de cet usinage, tandis que la figure 9 montre le chronogramme des signaux. 1. le système de déplacement (6) effectue un déplacement rapide vers le début de la zone d'usinage. Pendant cette séquence, le laser tire mais les impulsions sont bloquées par l'obturateur (8). 2. Lorsque le système de déplacement (6) arrive à la position du point Ao, le signal 79 passe à l'état 1. Le signal 92 est resynchronisé sur le signal 79. L'obturateur (8) s'ouvre et le faisceau est focalisé sur l'échantillon (4). 3. Sur la zone d'usinage, la vitesse est gardée constante pour obtenir l'écart voulu entre deux impacts consécutifs en fonction de la cadence du laser. 4. Lorsque le système de déplacement (6) arrive à la position au point Bo, le signal 79 passe à l'état O. L'obturateur (8) se ferme. Le système de déplacement (6) effectue alors un déplacement rapide vers le point Al, et l'usinage se poursuit ainsi jusqu'au dernier passage. Pour faciliter la compréhension, on a représenté la séquence sur une ligne droite mais il peut s'agir de n'importe quelle courbe continue. Un cas particulier qui découle du procédé selon l'invention, est la réalisation de matrice de trous sur une surface. En méthode classique, on positionne le laser en un(e) point, on effectue les « n» tirs nécessaires à la réalisation du trou, on déplace le faisceau vers le deuxième point, puis on effectue à nouveau les « n » tirs, et ainsi de suite. On comprend donc qu'en chaque point, les impulsions se succèdent à la cadence du laser, ce qui induit des effets thermiques. La présente invention permet de réaliser la matrice en « n » passages, chaque ligne du réseau en un seul passage, c'est-à-dire sans phase d'accélération/décélération entre chaque point en contrôlant la vitesse de déplacement. Afin que les points soient bien usinés à l'endroit désiré, il faut connaître le décalage entre la position voulue du point, et celle obtenue dans la pratique. Ces positions diffèrent à cause des temps de latence de l'électronique, de l'inertie du dispositif de déplacement, et du temps génération de l'impulsion laser. Le procédé revendiqué ici permet donc d'anticiper ce décalage et de pré-compenser le déplacement du dispositif (6). Les figures suivantes montrent ce que l'on obtient en tir synchronisé sans pré-compensation (figure 10) et avec pré-compensation (figure 11). On peut ainsi obtenir des réseaux de points ou d'autres formes avec une grande précision puisque l'on maitrise les écarts de position causés par les temps de latence. Ainsi en chaque point, on limite les effets thermiques car les impulsions sont plus espacées dans le temps et la matière a le temps de revenir à l'équilibre thermique. Les avantages ressortent bien de la description