EP3134760A1 - Procédé de traitement de surface d'une pièce transparente et pièce ainsi traitée - Google Patents

Procédé de traitement de surface d'une pièce transparente et pièce ainsi traitée

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Publication number
EP3134760A1
EP3134760A1 EP15718969.7A EP15718969A EP3134760A1 EP 3134760 A1 EP3134760 A1 EP 3134760A1 EP 15718969 A EP15718969 A EP 15718969A EP 3134760 A1 EP3134760 A1 EP 3134760A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
patterns
topography
light beam
mold
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15718969.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc GOHLKE
Stéphane VALETTE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ecole Centrale de Lyon
PSA Automobiles SA
Original Assignee
Ecole Centrale de Lyon
Peugeot Citroen Automobiles SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Ecole Centrale de Lyon, Peugeot Citroen Automobiles SA filed Critical Ecole Centrale de Lyon
Publication of EP3134760A1 publication Critical patent/EP3134760A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0006—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means to keep optical surfaces clean, e.g. by preventing or removing dirt, stains, contamination, condensation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B29D11/00317—Production of lenses with markings or patterns
    • B29D11/00326—Production of lenses with markings or patterns having particular surface properties, e.g. a micropattern
    • B29D11/00336—Production of lenses with markings or patterns having particular surface properties, e.g. a micropattern by making depressions in the lens surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B17/00—Methods preventing fouling
    • B08B17/02—Preventing deposition of fouling or of dust
    • B08B17/06—Preventing deposition of fouling or of dust by giving articles subject to fouling a special shape or arrangement
    • B08B17/065—Preventing deposition of fouling or of dust by giving articles subject to fouling a special shape or arrangement the surface having a microscopic surface pattern to achieve the same effect as a lotus flower
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
    • F21S41/20—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
    • F21S41/28—Cover glass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S45/00—Arrangements within vehicle lighting devices specially adapted for vehicle exteriors, for purposes other than emission or distribution of light

Definitions

  • the invention relates to the surface treatment of parts obtained by an injection molding process of light-transparent material and more particularly to the treatment of interior surfaces of windows or windows of projectors and motor vehicle lights which are subject to the appearance of mist (condensed water consisting of microscopic drops of water).
  • the mist gives a whitish appearance to an initially transparent and glossy surface and thus alters both the visual rendering of the surface and its optical properties, including the transparency of said surface.
  • fogging can alter the photometric properties of the light beams passing through the fogged surface.
  • moisture infiltrates in different ways inside the spotlights and fires.
  • moisture penetrates the projector housing or fire through the plastic.
  • one of the most important sources is the absorption and desorption of moisture by the plastic components of the projector or fire. A few drops of water are enough to cause significant condensation inside the projector or fire.
  • Condensation is a physical phenomenon that occurs most often in fairly cold areas. Unlike the halogen spotlight or xenon, the heat generated by the LED projector is not released to the window but to the rear of the projector (caseback). The coldest area of the LED floodlight is therefore located near the projector window. Any condensation therefore directly impacts the transparency of the glass. This can cause complaints from the customer and claims under warranty and ultimately a decline in the brand image of the automaker.
  • Texturing refers to both an etching process and the surface condition of a material obtained by the process.
  • a textured surface generally consists of a topography of patterns, or asperities, characterized in particular by their roughness, their shape, their dimensions: width (or diameter), depth, their orientation, their periodicity, their extent and density on the surface; ...
  • US2012 / 0156431 A1 discloses the use of a thermal photolithography process for texturing the surface of a resin part obtained after injection molding.
  • the two approaches that of making the surface more wetting (more hydrophilic) or less wetting (more hydrophobic) are possible for an anti-fog treatment.
  • the objective is to favor the spreading of drops of water in order to create a film of water to transparency, translucent, which is important for visibility (eg light beams for designers and lights, vision for windows).
  • the objective is to make sure that the drops of water bead more easily on the surface and do not interfere with the vision and transparency of the surface.
  • a slip angle (or "roll-off” angle or
  • Soliding angle in English terminology, which corresponds to the minimum angle of inclination of the plane (relative to the horizontal) from which a drop begins to slide on the surface. This angle depends in particular on the volume of the drop, because it characterizes the competition between the sliding resistance of the drop and gravity. It is measurable by a drop tensiometer.
  • Polycarbonate is a material usually used for the production of headlight glass or vehicle lights because of its properties of transparency and mechanical strength.
  • a motor vehicle headlight or fire comprises a housing sealed by a transparent window, and a light source disposed inside the housing adapted to emit a light beam passing through the window.
  • the face of the glass, facing the source of light must be textured to promote the wettability of the face and thus reduce the fog inside the box and, secondly, "promote" the propagation of the wavelengths of the light beam, through said face, without altering the photometric properties of the light or deflecting the direction of the light beam in the case of a projector window.
  • the object of the invention is to overcome these disadvantages.
  • the present invention firstly relates to a process for treating a transparent polymer part surface consisting, in a first step, in etching a determined topography of patterns in relief on the outer surface of a metal mold by a mechanical texturing means, and in a second step, to apply the mold under pressure on the surface of the workpiece to reproduce the negative mold patterns on the workpiece; said topography of the patterns being adapted to the type of polymer on the one hand, to optimize the wettability of the surface preventing fogging of said surface and, on the other hand, not to impact the optical properties of the part.
  • the topography comprises multiple scales ranging from nanometer to micrometer.
  • the patterns have sinusoidal shapes with a period of the order of a few micrometers defining wavelets whose dimensions are of the order of a few hundred nanometers.
  • the period of the patterns is a few micrometers and the dimensions of the ripples are a few hundred nanometers.
  • the scale of the patterns is smaller than the shortest wavelength that a light beam could cross.
  • the patterns are determined so that the contact angle between the drops of water forming the mist and the patterns is less than 60 ° or greater than 120. As a variant, the patterns are determined so that the contact angle between the water drops forming the mist and the patterns is less than 30 ° or greater than 160 °.
  • the texturing means is a femtosecond laser.
  • the mold is made of steel and the polymer is a polycarbonate.
  • the second object of the invention is a motor vehicle headlamp or lamp of the type comprising a housing sealed in a sealed manner by said window, and at least one light source disposed inside the housing adapted to emit a directed light beam.
  • said window pane characterized in that at least one zone of the inner face of the pane, suitable for facing the light source, is treated according to the method according to any one of the preceding claims for on the one hand, to favor or on the contrary reduce the wettability of the face and thus be able to reduce the fog inside the housing and, on the other hand, be able to promote the propagation of the wavelengths of the light beam , through said face, without altering the photometric properties of the light nor deflecting the direction of the light beam.
  • FIG. 1 illustrates a metal molding insert
  • FIG. 2 illustrates a microscopic view of the surface state of a first zone of the polished insert without texturing
  • FIG. 3 illustrates a microscopic view of the surface of a second zone of the insert obtained after texturing of the surface by the method according to the invention
  • FIG. 4 illustrates a polycarbonate (PC) test piece obtained by injection and whose central part of its outer surface of length L is textured according to the method according to the invention
  • FIG. 5 schematically illustrates the respective profiles, in a cross section along X, of the insert (top) and the test piece (bottom);
  • FIG. 6 illustrates a sub-micrometric periodic topography obtained by the method according to the invention, on a metal alloy by femtosecond laser radiation;
  • FIG. 7 illustrates a micrometric periodic topography (at the center of the impact) obtained by the method according to the invention, on a metal alloy by femtosecond laser radiation with the superposition of two different nested roughness scales;
  • FIG. 8 illustrates the superposition of three scales of nested topographies on a metal alloy (of a submicron scale on a scale of several micrometers), obtained from the method according to the invention.
  • the process according to the invention advantageously consists in texturing a metal mold, in particular made of steel, to reproduce the negative mold cavity on a polymer part, in particular polycarbonate, obtained by injection.
  • the engraving or texturing of the mold is advantageously carried out using a femtosecond type laser, but other mechanical texturing means may be used such as sanding, machining (milling), etc.
  • a femtosecond laser makes it possible to create very short pulses (of the order of a hundred femtoseconds, that is to say approximately 1 ⁇ 10 ⁇ 13 s). However, this duration of pulses allows very high powers.
  • the process consists in optimizing the topography of the surface, that is to say: the extent, the shape, the dimensions (width), the depth, the density and the roughness of the patterns, or asperities , which emerge in relief from the surface considered.
  • the scale of the patterns must be smaller than the wavelength of the light beam that must pass through the surface of the glass, in order to maintain the transparent nature of the surface without degradation of the photometric properties of the light beam or diffraction of the light beam which could alter the direction of the beam; an important parameter in the case of a light beam of the low beam or high beam type.
  • textured zone designates the part of the part reproducing the patterns or “ripples” of the insert; the rest of the room (complementary part of the “textured area”) will be referred to as “non-textured area”.
  • FIGS. 1 to 3 An example of topography obtained by the process according to the invention is illustrated in FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 4 illustrates a piece of polycarbonate, in the form of a bar, obtained by injection according to known techniques.
  • the illustrated bar is 40 mm long, 15 mm wide and 3 mm thick. Only its central part on 1 cm 2 is textured, which is not visible in the figure.
  • the textured area has a topography of patterns or asperities whose main scale is micrometric (see Figure 3).
  • the patterns have sinusoidal general shapes with a period of the order of a few hundred nm, typically 600 nm. These patterns are also known as “ripples” (wavelets). The width of the wavelets is of the order of a few hundred nanometers, typically 600 nm. To "quantify” the quality of the replication / reproducibility of the patterns on the PC, the parameters characterizing the roughness are measured and compared with those of the surface of the insert.
  • the main parameters used for the measurement are the following: - Ra, the arithmetic average deviation of the profile, as well as Rq, mean square deviation, give information on the average amplitude of the surface asperities.
  • the profile asymmetry factor (or "skewness") of roughness of the PC replica should meanwhile have a value opposite to its measurement in the case of the insert, since the replica must (in the case ideal) have the negative profile of the mold.
  • the flattening factor of the profile (or "kurtosis") of the replica should have a value identical to that of the insert, the phenomenon near withdrawal of the material during the injection likely to make the profile of the PC "flatter” than expected.
  • FIG. 5 gives a schematic representation of the respective profiles of the insert (mold) and of the bar (part) considered in its textured central part after printing the texturing of the mold on the part.
  • the material laser interaction process can also reveal ripples at larger scales (a few micrometers).
  • Figure 7 gives an example of such morphologies at the center of the laser impact. In this example, two scales of roughness are superimposed.
  • the displacement kinematics of the laser beam can also reveal an additional scale of topography.
  • Figure 8 gives a example of a surface texturing with three scales of nested morphologies: such a surface is designated by multi-scale surface.
  • the femtosecond material laser interaction process makes it possible to directly texture the polymeric materials for the anti-fogging application, or the injection molds with good multi-scale surface replication properties.
  • the water for example in the form of drops, in contact with the surface, has a more wetting or less wetting behavior.
  • hydrophilic texturing or even superhydrophilic
  • hydrophobic texturing will favor a generation of water pearls that will catch less on the surface and will bead / flow on the latter avoiding or limiting the opacity of the surface.
  • a texturing of the mold is chosen which can be replicated on the inner face of the window, ensuring optimized wettability of the latter, and thus reducing or eliminating the drop of water from condensation while keeping the optical properties of the projector or fire.
  • the treatment method according to the invention allows "mass" texturing of glass of projectors or fires: once the textured metal mold, it is then possible to produce several panes of polymer transparent textured while maintaining the same conditions of production as those of the manufacture of the glass itself.

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Abstract

Procédé de traitement d'une surface de pièce transparente en polymère, consistant dans une première étape, à graver une topographie déterminée de motifs en relief sur la surface extérieure d'un moule métallique au moyen d'un laser femtoseconde, et dans une deuxième étape, à appliquer le moule sous pression sur la surface de la pièce à traiter de manière à reproduire les motifs du moule en négatif sur la pièce; ladite topographie des motifs étant adaptée au type de polymère pour d'une part, optimiser la mouillabilité de la surface empêchant la formation de buée sur ladite surface et d'autre part, ne pas impacter les propriétés optiques de la pièce.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT DE SURFACE D'UNE PIECE TRANSPARENTE
ET PIECE AINSI TRAITEE L'invention se rapporte au traitement de surface de pièces obtenues par un processus de moulage par injection de matière transparente à la lumière et concerne plus particulièrement le traitement des surfaces intérieures des vitres ou glaces de projecteurs et feux de véhicules automobiles qui sont sujettes à l'apparition de la buée (eau de condensation constituée de gouttes d'eau microscopiques).
La buée donne un aspect blanchâtre à une surface initialement transparente et brillante et altère donc à la fois le rendu visuel de la surface et ses propriétés optiques, notamment la transparence de ladite surface.
D'autre part, en ce qui concerne plus particulièrement les surfaces vitrées des projecteurs et feux de véhicules automobiles, la buée peut altérer les propriétés photométriques des faisceaux lumineux traversant la surface embuée.
Le phénomène de condensation est d'autant plus gênant vis-à-vis des projecteurs ou feux utilisant des LEDs qui équipent de plus en plus de véhicules.
En effet, l'humidité s'infiltre de différentes manières à l'intérieur des projecteurs et des feux. Parmi les causes d'humidité, on compte la perméabilité de matériaux : l'humidité pénètre le boîtier du projecteur ou du feu au travers du plastique. Toutefois, l'une des plus importantes sources est l'absorption et la désorption de l'humidité par les composants plastiques du projecteur ou du feu. Quelques gouttes d'eau suffisent pour causer une importante condensation à l'intérieur du projecteur ou du feu.
La condensation est un phénomène physique qui apparaît le plus souvent dans des zones assez froides. Contrairement au projecteur halogène ou au xénon, la chaleur générée par le projecteur à LEDs n'est pas dégagée vers la vitre mais vers l'arrière du projecteur (fond du boîtier). La zone la plus froide du projecteur à LEDs se situe donc plutôt au niveau de la vitre du projecteur. Toute condensation impacte donc directement la transparence de la vitre. Ce qui peut provoquer des plaintes de la part du client et des réclamations sous garantie et au final, une baisse de l'image de marque du constructeur automobile.
Aujourd'hui, pour réduire ou supprimer la condensation sur lesdites surfaces, on utilise soit des systèmes d'aération ou ventilation (augmentation de l'aération des surfaces) soit des revêtements chimiques avec un comportement fortement hydrophile ou hydrophobe, comme par exemple des vernis ou des films chimiques, ou encore des évents dotés de membranes en PTFE expansé avec des pores laissant passer l'air (Events GORE® Automotive Vents)
Les principaux défauts de ces solutions sont leur coût d'application
(processus spécifique lors de la fabrication) et leur coût de matière première ou pièce, ainsi que leur vieillissement notamment pour les revêtements chimiques : perte d'efficacité, apparition de trace d'usure.
Il est connu, notamment du document US2012/0156431 A1 de texturer des surfaces transparentes en polymère, telles que des surfaces de vitres latérales, pare-brise ou miroir de véhicules automobiles afin qu'elles puissent résister à l'apparition de buée.
La texturation, ou structuration de surface, désigne à la fois un procédé de gravure et l'état de surface d'un matériau obtenu par le procédé.
Une surface texturée est généralement constituée d'une topographie de motifs, ou aspérités, caractérisés notamment par leur rugosité, leur forme, leurs dimensions : largeur (ou diamètre), profondeur, leur orientation, leur périodicité, leur étendue et densité sur la surface ; ...
Le document US2012/0156431 A1 divulgue l'utilisation d'un procédé de photolithographie thermique pour texturer la surface d'une pièce en résine obtenue après moulage par injection.
Il est connu qu'une surface non lisse, donc rugueuse, présente une mouillabilité augmentée ou diminuée par rapport à une surface lisse. Par exemple la feuille de lotus a une propriété presque entièrement non mouillante, dite super-hydrophobe (les gouttes d'eau ont tendance à former des sphères et à rouler à la surface de la feuille : l'eau n'adhère pas à la surface).
Cette observation peut être reliée à sa surface très rugueuse, elle comporte en effet une texturation à plusieurs échelles.
D'ailleurs les deux approches, soit celle de rendre la surface plus mouillante (plus hydrophile) soit moins mouillante (plus hydrophobe) sont envisageables pour un traitement antibuée. Dans le premier cas, l'objectif consiste à favoriser l'étalement des gouttes d'eau afin de créer un film d'eau à priori transparent, translucide, ce qui est important pour la visibilité (p. ex. faisceaux lumineux pour les projeteurs et les feux, vision pour les vitres).
Dans le deuxième cas, l'objectif est de s'assurer que les gouttes d'eau perlent plus facilement sur la surface et ne gênent pas la vision et la transparence de la surface.
Dans les deux cas, il est souhaitable d'aller vers une hydrophobie ou hydrophilie importante, avantageusement vers des angles de contact inférieurs à 30° ou supérieurs à 160° , on parle ainsi des surâces superhydrophiles ou superhydrophobes.
On définit aussi un angle de glissement (ou angle de « roll-off » ou
« sliding angle » en terminologie anglo-saxonne), qui correspond à l'angle minimum d'inclinaison du plan (par rapport à l'horizontale) à partir duquel une goutte se met à glisser sur la surface. Cet angle dépend en particulier du volume de la goutte, car il caractérise la compétition entre la résistance au glissement de la goutte et la gravité. Il est mesurable par un tensiomètre à gouttes.
Le polycarbonate est un matériau usuellement utilisé pour la réalisation de vitre de projecteurs ou feux de véhicule du fait de ses propriétés de transparence et de résistance mécanique.
Le procédé de texturation d'un tel matériau ne doit pas altérer ces deux propriétés à savoir la transparence et la solidité du matériau.
Un projecteur ou feu de véhicule automobile comporte un boitier fermé de manière étanche par une vitre transparente, et une source de lumière disposée à l'intérieur du boitier apte à émettre un faisceau lumineux traversant la vitre.
La face de la vitre, en regard de la source de lumière, doit donc être texturée pour d'une part favoriser la mouillabilité de la face et ainsi réduire la buée à l'intérieur du boitier et, d'autre part, « favoriser » la propagation des longueurs d'onde du faisceau lumineux, au travers de ladite face, sans altérer les propriétés photométriques de la lumière ni dévier la direction du faisceau lumineux s'agissant d'une vitre de projecteur.
Enfin, la texturation doit être fiable et reproductible de manière industrielle sur la pièce transparente en polymère. Le procédé de gravure divulgué dans le document US2012/0156431 A1 ne garantit pas la reproductibilité de la topographie à l'échelle industrielle et n'est par ailleurs pas adapté à un process industriel.
Les contraintes auxquelles sont tenues les projecteurs et feux de signalisation de véhicules automobiles ne sont pas abordées dans ce document et, notamment, le respect de la qualité photométrique du faisceau lumineux en sortie de projecteur ou du feu de signalisation.
L'invention a pour but de remédier notamment à ces inconvénients.
A cet effet la présente invention a pour premier objet un procédé de traitement d'une surface de pièce transparente en polymère consistant, dans une première étape, à graver une topographie déterminée de motifs en relief sur la surface extérieure d'un moule métallique par un moyen de texturation mécanique, et dans un deuxième étape, à appliquer le moule sous pression sur la surface de la pièce à traiter de manière à reproduire les motifs du moule en négatif sur la pièce ; ladite topographie des motifs étant adaptée au type de polymère pour d'une part, optimiser la mouillabilité de la surface empêchant la formation de buée sur ladite surface et d'autre part, ne pas impacter les propriétés optiques de la pièce.
Selon une caractéristique, la topographie comporte des échelles multiples allant de l'ordre du nanomètre jusqu'au micromètre.
Selon une autre caractéristique, les motifs ont des formes sinusoïdales de période de l'ordre de quelques micromètres définissant des vaguelettes dont les dimensions sont de l'ordre de quelques centaines de nanomètres.
Selon une autre caractéristique, la période des motifs est de quelques micromètres et les dimensions des vaguelettes sont de quelques centaines de nanomètres.
Selon une autre caractéristique, l'échelle des motifs est inférieure à la plus faible longueur d'onde qu'un faisceau lumineux pourrait traverser.
Selon une autre caractéristique, les motifs sont déterminés pour que l'angle de contact entre les gouttes d'eau formant la buée et les motifs soit inférieur à 60° ou supérieur à 120. A titre de variante, les motifs sont déterminés pour que l'angle de contact entre les gouttes d'eau formant la buée et les motifs soit inférieur à 30° ou supérieur à 160° .
Selon une autre caractéristique, le moyen de texturation est un laser femtoseconde.
Selon une autre caractéristique, le moule est en acier et le polymère est un polycarbonate.
L'invention a pour second objet une vitre de projecteur ou feu de véhicule automobile du type comportant un boîtier fermé de manière étanche par ladite vitre, et au moins une source de lumière disposée à l'intérieur du boîtier apte à émettre un faisceau lumineux dirigé au travers de ladite vitre, caractérisé en ce qu'au moins une zone de la face intérieure de la vitre, apte à être mise en regard de la source de lumière, est traitée selon le procédé selon l'une quelconques des revendications précédente pour, d'une part, favoriser ou au contraire réduire la mouillabilité de la face et ainsi être apte à réduire la buée à l'intérieur du boîtier et, d'autre part, être apte à favoriser la propagation des longueurs d'onde du faisceau lumineux, au travers de ladite face, sans altérer les propriétés photométriques de la lumière ni dévier la direction du faisceau lumineux.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages ressortiront à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins sur lesquels :
- la figure l illustre un insert de moulage en métal ;
- la figure 2 illustre une vue microscopique de l'état de surface d'une première zone de l'insert poli sans texturation ;
- la figure 3 illustre une vue microscopique de la surface d'une deuxième zone de l'insert obtenue après texturation de la surface par le procédé selon l'invention ;
- la figure 4 illustre une éprouvette en polycarbonate (PC) obtenue par injection et dont la partie centrale de sa surface extérieure de longueur L est texturée suivant le procédé selon l'invention ;
- la figure 5 illustre schématiquement les profils respectifs, selon une coupe transversale suivant X, de l'insert (en haut) et de l'éprouvette (en bas) ; - la figure 6 illustre une topographie périodique sub-micrométrique obtenue par le procédé selon l'invention, sur un alliage métallique par rayonnement laser femtoseconde ;
- la figure 7 illustre une topographie périodique micrométrique (au centre de l'impact) obtenue par le procédé selon l'invention, sur un alliage métallique par rayonnement laser femtoseconde avec la superposition de deux échelles de rugosité différentes imbriquées ; et
- la figure 8 illustre la superposition de trois échelles de topographies imbriquées sur un alliage métallique (d'une échelle sub-micrométrique à une échelle de plusieurs micromètres), obtenue à partir du procédé selon l'invention.
Sur les figures, les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments.
Les échelles des figures ne sont pas respectées.
Le procédé selon l'invention consiste avantageusement à texturer un moule métallique, notamment en acier, pour reproduire l'empreinte du moule en négatif sur une pièce en polymère, notamment du polycarbonate, obtenue par injection.
La gravure ou texturation du moule est avantageusement réalisée en utilisant un laser de type femtoseconde mais d'autres moyens de texturation mécanique peuvent être utilisés comme le sablage, l'usinage (fraisage), ...
Un laser femtoseconde permet de créer des impulsions très brèves (de l'ordre d'une centaine de femtosecondes, c'est-à-dire environ 1 χ 10~13 s). Or, cette durée d'impulsions permet des puissances très élevées.
Les intérêts du laser femtoseconde sont multiples :
- possibilité de texturation de moule industriel en métal ;
- capacité à créer une texturation, par ablation de matière, sans altérer les propriétés massives du moule et donc sans le fragiliser
- génération de texturations « multi échelles » contrôlées : du micromètre au nanomètre.
De plus, le procédé de texturation selon l'invention utilisant un laser femtoseconde, testé sur plusieurs échantillons de pièces en polymère, a confirmé la reproductibilité de la texturation réalisée en négatif sur lesdits échantillons. Il a été vérifié par ailleurs, une différence de comportement du polycarbonate au mouillage et à la buée en fonction de la topographie choisie pour la texturation.
Fort de cette constatation, le procédé consiste à optimiser la topographie de la surface, c'est-à-dire : l'étendue, la forme, les dimensions (largeur), la profondeur, la densité et la rugosité des motifs, ou aspérités, qui ressortent en relief de la surface considérée.
L'échelle des motifs doit être plus faible que la longueur d'onde du faisceau lumineux qui doit traverser la surface de la vitre, afin de garder le caractère transparent de la surface sans dégradation des propriétés photométriques du faisceau lumineux ni diffraction du faisceau lumineux qui pourrait altérer la direction du faisceau ; paramètre important s'agissant d'un faisceau lumineux de type feu de croisement ou feu de route.
On désignera dans la suite par « zone texturée » la partie de la pièce reproduisant les motifs ou « ripples » de l'insert ; le reste de la pièce (partie complémentaire de la « zone texturée ») sera désigné par « zone non- texturée ».
Un exemple de topographie, obtenu par le procédé selon l'invention est illustré aux figures 1 à 3.
Ces différentes figures illustrent une partie amovible d'un moule appelé
« insert », selon une vue optique microscopique des zones « polies » et texturée de l'insert, utilisé pour l'injection du polycarbonate (PC).
La figure 4 illustre une pièce en polycarbonate, en forme de barrette, obtenue par injection selon des techniques connues.
A titre indicatif, la barrette illustrée mesure 40 mm de long, 15 mm de large et 3 mm d'épaisseur. Seule sa partie centrale sur 1 cm2 est texturée, ce qui n'est pas visible sur la figure.
La zone texturée présente une topographie de motifs ou aspérités dont l'échelle principale est micrométrique (cf. figure 3).
Les motifs présentent des formes générales sinusoïdales de période de l'ordre de quelques centaines de nm, typiquement 600 nm. Ces motifs sont aussi connus sous le nom « ripples » (vaguelettes). La largeur des vaguelettes est de l'ordre de quelques centaines de nanomètres, typiquement de 600nm. Pour « quantifier » la qualité de la réplication/reproductibilité des motifs sur le PC, les paramètres caractérisant la rugosité sont mesurés puis comparés à ceux de la surface de l'insert.
Les principaux paramètres exploités pour la mesure sont les suivants : - Ra, l'écart moyen arithmétique du profil, ainsi que Rq, écart moyen quadratique, donnent des informations sur l'amplitude moyenne des aspérités de surface. Par hypothèse : plus les valeurs obtenues pour la réplique en PC sont proches des valeurs de la topographie de l'insert plus la réplication est de bonne qualité ;
- Rsk, le facteur d'asymétrie du profil (ou « skewness ») de rugosité de la réplique en PC devrait quant à lui avoir une valeur opposée à sa mesure dans le cas de l'insert, puisque la réplique doit (dans le cas idéal) avoir le profil négatif du moule.
- Rku, le facteur d'aplatissement du profil (ou « kurtosis ») de la réplique devrait avoir une valeur identique à celui de l'insert, au phénomène près de retrait de la matière lors de l'injection susceptible de rendre le profil du PC « plus plat » qu'attendu.
La figure 5 donne une représentation schématique des profils respectifs de l'insert (moule) et de la barrette (pièce) considérée dans sa partie centrale texturée après impression de la texturation du moule sur la pièce.
Le processus d'interaction laser-matière en régime femtoseconde permet de générer des morphologies périodiques sub-micrométriques appelées ripples ou LIPSS (Laser Induced Periodic Surface Structures). Un exemple de telles morphologies est présenté sur la figure 6.
Le processus d'interaction laser matière peut également faire apparaître des ripples à des échelles de plus grande dimension (quelques micromètres). La figure 7 donne un exemple de telles morphologies au centre de l'impact laser. Dans cet exemple, deux échelles de rugosité se superposent.
Il est possible de mettre en forme spatialement et temporellement les impulsions laser pour modifier les morphologies de surface générées.
La cinématique de déplacement du faisceau laser peut aussi faire apparaître une échelle de topographie supplémentaire. La figure 8 donne un exemple d'une texturation de surface avec trois échelles de morphologies imbriquées : une telle surface est désignée par surface multi-échelle.
Le processus d'interaction laser matière en régime femtoseconde permet de texturer directement les matériaux polymères pour l'application anti-buée, ou encore les moules à injecter avec de bonnes propriétés de réplication des surfaces multi-échelle.
Former de la buée sur une surface revient à y faire adhérer des (centaines de) milliers de gouttes très fines : on comprend dès lors facilement que ce phénomène d'apparition de buée est intrinsèquement lié au mouillage d'une surface.
Grâce à la texturation de la pièce injectée, l'eau, par exemple en forme de gouttes, au contact de la surface, a un comportement plus mouillant ou au contraire moins mouillant.
Pour l'exemple d'un projecteur ou feu automobile, quand les conditions météorologiques sont réunies et qu'une condensation d'eau a lieu, le fait d'avoir une texturation très hydrophile (voire superhydrophile) favorise l'étalement des gouttes d'eau de condensation et ainsi la diffraction et diffusion de la lumière est réduite ou empêchée. Au contraire, une texturation hydrophobe favorisera une génération de perles d'eau qui s'accrocheront moins à la surface et qui perleront/couleront sur cette dernière évitant ou limitant l'opacification de la surface.
Ces deux approches réduisent ou suppriment la gêne causée par la buée, soit en l'étalant soit en l'évacuant.
Selon le procédé de l'invention, lors de la fabrication de la vitre du projecteur ou du feu par injection, on choisit une texturation du moule, apte à être répliquée sur la face intérieure de la vitre, assurant une mouillabilité optimisée de cette dernière, et permettant ainsi de réduire ou supprimer le dépôt de goutte d'eau issu de la condensation tout en gardant les propriétés optiques du projecteur ou du feu.
Le procédé de traitement selon l'invention permet une texturation « de masse » de vitre de projecteurs ou de feux : une fois le moule métallique texturé, il est ensuite possible de produire plusieurs vitres en polymère transparent texturées en conservant les mêmes conditions de production que celles de la fabrication de la vitre elle-même.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de traitement d'une surface de pièce transparente en polymère consistant, dans une première étape, à graver une topographie déterminée de motifs en relief sur la surface extérieure d'un moule métallique par un moyen de texturation mécanique, et dans une deuxième étape, à appliquer le moule sous pression sur la surface de la pièce à traiter de manière à reproduire les motifs du moule en négatif sur la pièce ; ladite topographie des motifs étant adaptée au type de polymère pour d'une part, optimiser la mouillabilité de la surface empêchant la formation de buée sur ladite surface et d'autre part, ne pas impacter les propriétés optiques de la pièce, caractérisé en ce que la topographie comporte des échelles multiples allant de l'ordre du nanomètre jusqu'au micromètre.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les motifs ont des formes sinusoïdales de période de l'ordre de quelques micromètres définissant des vaguelettes dont les dimensions sont de l'ordre de quelques centaines de nanomètres.
3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'échelle des motifs est inférieure à la plus faible longueur d'onde qu'un faisceau lumineux pourrait traverser.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les motifs sont déterminés pour que l'angle de contact entre les gouttes d'eau formant la buée et les motifs soit inférieur à 60 ° ou supérieur à 120 ° .
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les motifs sont déterminés pour que l'angle de contact entre les gouttes d'eau formant la buée et les motifs soit inférieur à 30 ° ou supérieur à 160 ° .
6. Procédé de traitement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de texturation est un laser femtoseconde.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moule est en acier et en ce que le polymère est un polycarbonate.
8. Vitre de projecteur ou feu de véhicule automobile du type comportant un boîtier fermé de manière étanche par ladite vitre, et au moins une source de lumière disposée à l'intérieur du boîtier apte à émettre un faisceau lumineux dirigé au travers de ladite vitre, caractérisé en ce qu'au moins une zone de la face intérieure de la vitre, apte à être mise en regard de la source de lumière, est traitée selon le procédé selon l'une quelconques des revendications précédente pour, d'une part, favoriser ou au contraire réduire la mouillabilité de la face et ainsi être apte à réduire la buée à l'intérieur du boîtier et, d'autre part, être apte à favoriser la propagation des longueurs d'onde du faisceau lumineux, au travers de ladite face, sans altérer les propriétés photométriques de la lumière ni dévier la direction du faisceau lumineux.
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