Brevet FR3034093A1 — publié le 20160930

L'invention concerne dispositif et un procédé pour le thermoformage du verre. L'invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, dédiée au formage d'une plaque de verre pour la réalisation d'un écran d'affichage. Dans tout le texte, les termes « formage » ou « thermoformage » appliqués au verre désignent un procédé consistant à faire épouser une forme à une plaque de verre d'une autre forme, initialement à l'état solide, sans déplacement à grande distance des sections de ladite plaque. Ainsi, le procédé objet de l'invention ne concerne pas, par exemple, le formage d'une paraison en un objet, par soufflage ou centrifugation, procédés qui impliquent un déplacement à grande distance des sections de l'objet initial. Le procédé de thermoformage de verre est connu de l'art antérieur et consiste à porter une plaque de verre devant être formée à une température suffisante pour lui conférer de la formabilité, c'est-à-dire une température supérieure à la température de transition vitreuse mais inférieure à la température de fusion du verre, et qui permet d'atteindre une viscosité comprise en 1011 et 10' poises (1010 à 106 Pa.$). Ainsi chauffée à une température généralement comprise entre 700 °C et 800 °C, la plaque est contrainte à épouser la forme d'un outillage, généralement une matrice, par l'effet de la gravité, par l'effet d'une pression, par l'effet d'un contre-outillage, par exemple un poinçon, ou par toute combinaison de ces moyens. Puis la plaque formée est refroidie selon un processus de refroidissement contrôlé à la fois en termes de vitesse de refroidissement et en termes d'uniformité spatiale de ce refroidissement, afin, selon les applications, d'obtenir l'état de contrainte interne visé dans l'article ainsi formé. Le document US 2010 000259, décrit un procédé de formage consistant à placer une plaque de verre plane à une température inférieure à sa température de ramollissement sur un outillage préchauffé. L'outillage et la plaque sont alors chauffés dans un four, notamment par rayonnement infrarouge. La plaque de verre est contrainte à épouser la forme de l'outillage lorsque sa température est telle que sa viscosité est de l'ordre de 109 poises (108 Pa.$). Puis, l'ensemble est sorti du four et refroidi la plaque se trouvant toujours dans le moule, soit par refroidissement naturel, soit par convection forcée en soufflant de l'air ou un gaz sur le moule. Selon ce procédé de l'art antérieur, l'outillage est exposé pendant un temps important à haute température. Cette exposition de l'outillage à haute température dégrade l'outillage, notamment par oxydation ou par 3034093 2 interaction chimique avec le verre formé, et plus particulièrement la surface formante de l'outillage sur laquelle la plaque de verre vient en contact lors de l'opération de formage. Des dégradations, même minimes, de cette surface s'impriment dans le verre provoquant des défauts d'état de surface inacceptables. L'utilisation d'un matériau 5 réfractaire résistant à la corrosion à haute température, tel un superalliage à base nickel, rend difficile le chauffage de la matrice par rayonnement. Pour éviter ces effets indésirables, les solutions de l'art antérieur consistent à former le verre à une température moins élevée, de sorte que, d'une part, l'outillage soit moins exposé aux phénomènes de dégradation thermochimique et d'autre part, que la 10 surface du verre soit suffisamment dure pour ne pas reproduire les défauts de surface. Toutefois cette solution nécessite des efforts de formage plus importants et le recours à un effecteur ou à l'application d'une pression de gaz, ce qui complexifie l'outillage et le rend plus coûteux. Le document WO 2012 118612 décrit un procédé de thermoformage d'une plaque 15 de verre consistant à placer ladite plaque de verre sur un outillage constitué d'un matériau inerte vis-à-vis du verre et résistant à haute température, tel que du graphite. La plaque de verre et l'outillage sont placés sous une cloche à vide comprenant des moyens de chauffage par infrarouge qui chauffent par rayonnement la plaque de verre et l'outillage. Ce chauffage est réalisé sous atmosphère inerte pour éviter l'oxydation du 20 graphite. Le formage est réalisé par conjonction du vide, sous la plaque de verre, et l'application d'une pression de gaz chaud sur l'autre face. Ces dispositifs de l'art antérieur impliquent des temps de cycle long, et une maîtrise délicate des cycles thermiques tant au chauffage qu'au refroidissement. De plus, ces procédés de l'art antérieur mettent en oeuvre des enceintes ou des 25 installations spécifiques qui constituent des points de concentration de la production, et des moyens critiques vis-à-vis de la productivité. L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et concerne à cette fin un outillage pour le formage d'une plaque de verre comprenant : a. une matrice de formage constituée d'un matériau métallique résistant à 30 haute température et comprenant : ai. une surface moulante aii. des moyens adaptés pour maintenir une plaque de verre distante 3034093 3 de la surface moulante et en vis-à-vis de celle-ci ; aiii. un circuit d'induction comprenant un inducteur s'étendant dans une cavité dans la matrice de formage b. un bloc de chauffage, distant de la matrice de formage et comprenant : 5 bi. une surface apte à produire un rayonnement thermique en vis-à-vis de la surface moulante ; bii. un circuit d'induction comprenant un inducteur s'étendant dans une cavité dudit bloc de chauffage c. des moyens pour connecter les deux circuits d'induction à un générateur 10 de courant à haute fréquence. Ainsi, le chauffage par induction du bloc chauffant et de l'outillage permet de porter rapidement ceux-ci à la température nécessaire pour réaliser le formage du verre et ainsi éviter un long séjour à haute température de l'outillage. Le chauffage direct du bloc chauffant et de la matrice permet d'en contrôler la température. L'utilisation d'un 15 matériau métallique pour la matrice permet d'obtenir, par usinage, un état de surface adapté de la surface moulante. Le chauffage de l'intégralité du bloc chauffant et de la matrice permet d'obtenir une répartition uniforme de la température sur toute la surface de la plaque de verre formée. L'outillage est apte à fonctionner comme un outillage autonome et ne nécessite qu'un raccordement à un générateur de courant à haute 20 fréquence. L'invention est avantageusement mise en oeuvre selon les modes de réalisation exposés ci-après, lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Selon un mode de réalisation, la matrice est constituée d'un acier inoxydable 25 martensitique. Ce type d'acier est ferromagnétique jusqu'à une température de 700 °C environ. La perméabilité magnétique élevée dans l'état ferromagnétique permet de chauffer rapidement les bords de cavités dans lesquelles s'étendent les inducteurs en concentrant les lignes de champs. La transmission par conduction de la chaleur vers la surface moulante permet d'uniformiser la température à la surface de celle-ci. 30 Selon un autre mode de réalisation, la matrice est constituée d'un alliage à base de Nickel (Ni) de Fer (Fe) de Chrome (Cr) et de Niobium (Nb). Ce type de superalliage à base nickel est apte à résister au fluage et à la corrosion lors d'une exposition 3034093 4 prolongée à une température de 700 °C, voire supérieure en cas d'exposition de courte durée. Ce matériau est électriquement conducteur et est apte à être chauffé par induction. Selon une variante de ce mode de réalisation, la cavité dans laquelle s'étend 5 l'inducteur comprend une couche constituée d'un matériau ferromagnétique entre l'inducteur et les parois de ladite cavité. L'alliage à base nickel étant de faible perméabilité magnétique ce mode de réalisation permet de concentrer le chauffage sur les bords de la cavité puis de transférer la chaleur par conduction vers la surface moulante et ainsi d'obtenir un meilleur rendement du chauffage par induction. 10 Avantageusement, le bloc de chauffage est constitué de graphite. Le graphite présente un coefficient d'émissivité élevée dans le domaine de l'infrarouge thermique, il est apte à être chauffé par induction jusqu'à des températures très élevées et il est facile à usiner. Cette solution technique permet un chauffage rapide et uniforme de la plaque de verre par rayonnement. 15 Avantageusement, le bloc de chauffage en graphite comporte un revêtement résistant à l'oxydation à 1200° C et d'émissivité élevée dans les longueurs d'onde comprises entre 3 pm et 50 pm. Ce mode de réalisation permet de protéger le bloc de chauffage de l'oxydation et ainsi, permet le fonctionnement autonome, hors enceinte, de l'outillage objet de l'invention. 20 Selon un mode de réalisation particulier, l'outillage objet de l'invention comporte une enceinte de confinement entourant la matrice et le bloc de chauffage, ladite enceinte étant remplie d'un gaz neutre, notamment un gaz inerte. Ainsi, le bloc de chauffage et la matrice sont protégés de l'oxydation et leur longévité est accrue. Dans le contexte de l'invention, un gaz neutre est un gaz dont la composition est sans 25 conséquence préjudiciable dans un certain contexte Avantageusement, la matrice comporte un support thermiquement isolant apte à écarter la plaque de verre du contact avec la matrice. Ainsi, la plaque de verre est protégée d'un éventuel choc thermique au contact de la matrice avant que ladite plaque de verre n'ait atteint sa température de formage. 30 Avantageusement, l'outillage objet de l'invention comporte : d. un capteur pyrométrique pour mesurer la température du bloc chauffant Avantageusement, l'outillage objet de l'invention comporte également : 3034093 5 e. un thermocouple intégré dans la matrice et proche de la surface moulante pour mesurer la température de ladite surface moulante. Ces dispositifs de mesure permettent de contrôler et de réguler finement le cycle thermique du thermoformage de la plaque de verre. 5 Avantageusement, la matrice de l'outillage objet de l'invention comprend : aiv. un conduit de refroidissement pour la circulation d'un gaz. Avantageusement, le bloc chauffant de l'outillage objet de l'invention comprend : biii. un conduit de refroidissement pour la circulation d'un gaz. Ces moyens participent à la régulation du cycle thermique de thermoformage et 10 permettent de faciliter la manipulation de l'outillage, notamment la matrice, lors du chargement de la plaque de verre et de déchargement de la plaque formée après le cycle de formage. L'invention concerne également, un procédé pour le thermoformage d'une plaque de verre mettant en oeuvre un outillage selon l'un quelconque des modes de réalisation 15 précédents, lequel procédé comprend les étapes consistant à : i. positionner la plaque de verre sur la matrice ; ii. chauffer simultanément la matrice et le bloc chauffant, par la circulation d'un courant électrique à haute fréquence dans leur circuit d'induction respectif. 20 iii. former la plaque de verre à la forme de la surface moulante de la matrice iv. refroidir à vitesse contrôlée la matrice jusqu'à la température inférieure de recuit ; y. refroidir la matrice vi. retirer la plaque de verre formée. 25 Ainsi le procédé objet de l'invention permet un contrôle rigoureux du cycle thermique de formage. Avantageusement, l'étape ii) du procédé objet de l'invention comporte le chauffage du bloc chauffant jusqu'à une température dite de ramollissement du verre constituant la plaque de verre et le chauffage de la matrice jusqu'à une température égale à la 30 température supérieure de recuit. Ainsi, le comportement de la plaque de verre est suffisamment plastique pour réaliser le formage par gravité. L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, 3034093 6 nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 3 dans lesquelles : - la figure 1 montre selon une vue en coupe un exemple de réalisation de l'outillage objet de l'invention, avant formage, une plaque de verre à former étant positionnée sur l'outillage ; 5 - la figure 2 est une vue de détail, selon la même coupe que la figure 1, montrant un exemple de réalisation d'une circuit d'induction dans la matrice de l'outillage objet de l'invention ; - et la figure 3 illustre par un organigramme le procédé objet de l'invention. Dans tout le texte, à défaut de précision complémentaire : 10 - la température de ramollissement du verre correspond à une température à laquelle la viscosité du verre formé est de 107 poises (106 Pa.$) ; - la température supérieure de recuit correspond à une température à laquelle la viscosité du verre formé est de 1013 poises (1012 Pa.$) ; - et la température inférieure de recuit correspond à une température à laquelle 15 la viscosité du verre formé est de 1014 poises (1014 Pa.$). Figure 1, selon un exemple de réalisation, l'outillage objet de l'invention comprend un bloc chauffant (110) et une matrice (120) de formage comprenant une surface (125) moulante. Selon cet exemple de réalisation, la surface (125) moulante est une empreinte en creux. Alternativement la surface moulante est une surface en relief. 20 L'outillage objet de l'invention est ici représenté au début de l'opération de formage, la plaque (100) de verre initialement plane selon cet exemple de mise en oeuvre, étant positionnée au-dessus de l'empreinte (125) et reposant à ses extrémités sur des cales (130) thermiquement isolantes. À titre d'exemple non limitatif lesdites cales (130) sont réalisées en céramique, ou dans un matériau composite comprenant 90 °/(:), ou plus, de 25 mica (muscovite) dans une matrice silicone. Selon un exemple de réalisation, la matrice (120) est constituée d'un superalliage à durcissement structural à base de nickel connu sous le nom commercial d'INCONEL 718 ®, et comprenant 17 à 21 % de chrome (Cr), 2,8 à 3,3 % de molybdène (Mo), 4,75 à 5,5 % de niobium (Nb), 17 à 19 % de fer (Fe) et 50 à 55 % de nickel (Ni). Alternativement, la matrice est constituée d'un acier 30 inoxydable ferrito-martensitique de type AISI 431 et comprenant 0,16 % de carbone (C), 2 % de nickel (Ni) et 17 % de chrome (Cr). Ces matériaux présentent des caractéristiques mécaniques notamment une résistance à l'usure et au fluage ainsi 3034093 7 qu'une résistance à la corrosion à haute température, jusqu'à 400 °C pour l'acier inoxydable et jusqu'à 700 °C pour INCONEL 718 ®, et plus pour des expositions de courte durée. La matrice comprend une pluralité de conduits (140) dans lesquels sont placés des inducteurs réalisant un circuit d'induction. Lesdits inducteurs sont, à titre 5 d'exemple, constitués d'un tube (141) en cuivre isolé des parois de la matrice par un tube (142) en céramique, par exemple une gaine en silice. Avantageusement, la matrice (120) est réalisée en deux parties (121, 122), ainsi, les conduits (140) pour le passage des inducteurs sont réalisés par rainurage desdites parties avant leur assemblage. Figure 2, selon un autre mode de réalisation du circuit d'induction, plus 10 particulièrement adapté au cas où le matériau constituant la matrice n'est pas ferromagnétique, les conduits sont chemisés avec une couche (243) d'acier de perméabilité magnétique élevée et conservant ses propriétés ferromagnétiques jusqu'à haute température, par exemple 700 °C. Ainsi, le champ magnétique produit par l'inducteur (241) est concentré dans le chemisage (243) qui monte rapidement en 15 température et transmet cette température par conduction à la matrice. La chaleur étant transmise par conduction jusqu'à la surface moulante, la disposition judicieuse des inducteurs permet d'assurer une température uniforme sur cette surface moulante. En revenant à la figure 1, selon cet exemple de réalisation, un réseau de conduits (152) de refroidissement est ménagé dans la matrice (120), par perçage ou par 20 rainurage et assemblage, comme pour les conduits recevant les inducteurs. Ces conduits permettent de souffler de l'air ou un autre gaz caloporteur pour refroidir la matrice et plus particulièrement la surface moulante. Le soufflage d'air et le chauffage par induction sont utilisables conjointement à des fins de régulation de la température ou de la vitesse de refroidissement. Un thermocouple (162) est avantageusement placé 25 près de la surface (125) moulante afin d'en mesurer sa température et pour asservir les conditions de chauffage et de refroidissement. La matrice est posée sur un support (180) isolant thermiquement par exemple une plaque composite à base de zircone ou une plaque constituée d'un matériau composite comprenant du mica (muscovite) avec un liant silicone. Selon un exemple de réalisation, ledit support (180) est monté sur des 30 moyens (non représentés) permettant de déplacer la matrice en translation (181) relativement au bloc chauffant (110) afin de faciliter les opérations de chargement et de déchargement de la plaque de verre dans l'outillage. 3034093 8 Le bloc chauffant (110) est constitué de graphite. Il est maintenu à distante de la matrice par des moyens (non représentés) permettant de régler la distance entre la surface émissive (115), en vis-à-vis de la surface (125) moulant de la matrice, et la plaque (100) de verre, typiquement dans une gamme comprise en 5 mm et 50 mm. 5 Comme la matrice (120), ledit bloc chauffant (110) comporte, selon cet exemple de réalisation, un réseau de conduits (145) pour le passage d'un circuit de chauffage par induction et un réseau de conduits (151) de refroidissement par circulation d'un gaz caloporteur. Selon un exemple de réalisation, le bloc chauffant comporte sur toutes ou partie de ses faces, un revêtement (131) apte à protéger le graphite de l'oxydation à 10 haute température et d'émissivité élevée dans la bande du rayonnement infrarouge thermique, par exemple, un revêtement de carbure de silicium (SiC). Un tel revêtement permet de protéger le graphite de l'oxydation jusqu'à une température de l'ordre de 1600° C. Ainsi, l'outillage objet de l'invention est apte à fonctionner dans l'air sans dégradation. Alternativement, pour assurer une durée de vie plus élevée de l'outillage 15 objet de l'invention, celui-ci est placé dans une enceinte, laquelle enceinte est remplie d'un gaz neutre à la température de fonctionnement, tel que de l'argon ou de l'azote, ou un gaz inerte tel que l'hélium. La température du bloc chauffant est mesurée, selon cet exemple de réalisation, par un pyromètre (161) infrarouge. Les circuits d'induction du bloc chauffant (110) et de la matrice (120) de l'outillage 20 objet de l'invention sont connectés à un générateur de courant à haute fréquence, typiquement une fréquence comprise entre 10 kHz et 200 kHz par des moyens (non représentés) aptes à accorder le circuit résonnant résultant, notamment un coffret de capacités et une bobine d'adaptation d'impédance. Figure 3, selon un exemple de réalisation du procédé objet de l'invention, celui-ci 25 comprend une première étape (310) de chargement consistant à placer la plaque de verre à former sur l'outillage. Selon un mode de réalisation particulier, cette étape (310) est réalisée alors que la matrice est écartée du bloc chauffant. Selon des variantes de réalisation, ladite plaque de verre est posée à température ambiante sur une matrice à température ambiante ou sur une matrice à une température inférieure ou égale à la 30 température inférieure de recuit du verre. Selon une autre variante, dans un processus en ligne, la plaque de verre est posée sur la matrice à une température inférieure ou égale à la température inférieure de recuit du verre, soit une température inférieure à 3034093 9 600 °C. La plaque de verre repose sur les cales isolantes juste au-dessus de la surface moulante, sans toucher celle-ci. Selon une étape (320) de chauffage, la matrice portant la plaque de verre étant sous le bloc chauffant, ledit bloc chauffant et la matrice sont chauffés par induction. Le bloc chauffant est porté à une température au moins égale 5 à la température de ramollissement du verre, soit 800 °C à 850 °C selon la nature du verre, ou à une température plus élevée, couramment comprise entre 1200° C et 1600° C dans le cas d'un bloc en graphite, de sorte à augmenter la puissance de rayonnement. La matrice est chauffée à une température inférieure, typiquement à la température supérieure de recuit du verre, soit entre 600 °C et 700 °C selon la nature 10 du verre objet du thermoformage. La plaque de verre est chauffée par le rayonnement du bloc chauffant. Au cours d'une étape (330) de formage, en se ramollissant sous l'effet de la température, la plaque de verre flue sur la surface moulante de la matrice dont elle épouse la forme. Elle se refroidit au contact de la matrice, mais la température reste suffisante pour assurer la relaxation des contraintes dans la plaque de verre. Au 15 cours d'une étape (340) de refroidissement, selon un exemple de réalisation, le chauffage du bloc chauffant est arrêté et ledit bloc est refroidi par circulation de gaz dans les conduits de refroidissement. Le refroidissement de la plaque de verre est régulé par la matrice. Ainsi, l'étape de refroidissement (340) comprend un refroidissement lent et contrôlé jusqu'à la température inférieure de recuit du verre 20 constituant la plaque, typiquement entre 500° C et 600° C selon la nature du verre, puis le refroidissement est accéléré jusqu'à la température de déchargement. La température de déchargement étant atteinte, au cours d'une étape de déchargement (350), la matrice est, selon un exemple de réalisation, déplacée en position de déchargement et la plaque de verre formée est retirée de la matrice par des moyens 25 appropriés, par exemple un dispositif à ventouse. L'outillage est alors prêt pour un nouveau cycle. La description ci-avant et les exemples de réalisation montrent que l'invention atteint les objectifs visés, en particulier elle permet de réduire le temps de séjour à haute température de l'outillage tout en assurant un contrôle précis du cycle thermique 30 de thermoformage. L'outillage objet de l'invention est apte, selon un mode de réalisation particulier, à fonctionner de manière autonome sans enceinte spécifique. REVENDICATIONS1. Outillage pour le formage d'une plaque (100) de verre comprenant : a. une matrice (120) de formage constituée d'un matériau électriquement conducteur comprenant : ai. une surface (125) moulante ; aii. des moyens (130) adaptés pour maintenir une plaque de verre distante de la surface moulante et en vis-à-vis de celle-ci ; aiii. un circuit d'induction comprenant un inducteur (141, 241) s'étendant dans une cavité (140) dans ladite matrice de formage ; b. un bloc (110) de chauffage, distant de la matrice de formage et comprenant : bi. une surface (115) apte à produire un rayonnement thermique en vis-à-vis de la surface moulante (125) ; bii. un circuit d'induction comprenant un inducteur s'étendant dans une cavité (145) dudit bloc de chauffage c. des moyens pour connecter les circuits d'induction à un générateur de courant à haute fréquence. 2. Outillage selon la revendication 1, dans lequel la matrice (120) est constituée d'un acier inoxydable martensitique. 3. Outillage selon la revendication 1, dans lequel la matrice (120) est constituée d'un alliage à base de Nickel (Ni) de Fer (Fe) de Chrome (Cr) et de Niobium (Nb) 4. Outillage selon la revendication 3, dans lequel la cavité (140, 145) dans laquelle s'étend l'inducteur comprend une couche (243) constituée d'un matériau ferromagnétique entre l'inducteur et les parois de ladite cavité. 5. Outillage selon la revendication 1, dans lequel le bloc (110) de chauffage est constitué de graphite. 3034093 11 6. Outillage selon la revendication 5, dans lequel le bloc (110) de chauffage comporte un revêtement (131) résistant à l'oxydation à 1200°C et d'émissivité élevée dans les longueurs d'onde comprises entre 3 pm et 50 pm 5 7. Outillage selon la revendication 5, comprenant une enceinte de confinement entourant la matrice (120) et le bloc (110) de chauffage, ladite enceinte étant remplie d'un gaz neutre, notamment un gaz inerte. 8. Outillage selon la revendication 1, dans lequel la matrice (120) comporte un support (130) thermiquement isolant apte à écarter la plaque (100) de 10 verre du contact avec la matrice. 9. Outillage selon la revendication 1, comportant : d. un capteur (161) pyrométrique pour mesurer la température du bloc chauffant 10. Outillage selon la revendication 1, comportant : 15 e. un thermocouple (162) intégré dans la matrice et proche de la surface (125) moulante pour mesurer la température de ladite surface moulante. 11. Outillage selon la revendication 1, dans lequel la matrice comprend : aiv. un conduit (152) de refroidissement pour la circulation d'un gaz. 20 12. Outillage selon la revendication 1, dans lequel le bloc chauffant comprend : biii. un conduit (151) de refroidissement pour la circulation d'un gaz. 13. Procédé pour le thermoformage d'une plaque de verre mettant en oeuvre un outillage selon la revendication 1, comprenant les étapes consistant à : 25 i. positionner (310) la plaque de verre sur la matrice ; ii. chauffer (320) simultanément la matrice et le bloc chauffant par la circulation d'un courant électrique à haute fréquence dans leur circuit d'induction respectif. 3034093 12 iii. former (330) la plaque de verre à la forme de la surface moulante de la matrice iv. refroidir (340) à vitesse contrôlée la matrice jusqu'à la température inférieure de recuit ; 5 y. refroidir la matrice vi. retirer (350) la plaque de verre formée. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel l'étape ii) (320) comporte le chauffage du bloc chauffant jusqu'à une température dite de ramollissement du verre constituant la plaque de verre et le chauffage de 10 la matrice jusqu'à une température égale à la température supérieure de recuit.