FR2882534A1 - Procede de decoupe simultanee de materiaux heterogenes et son dispositif de mise en oeuvre - Google Patents

Abstract

Procédé de découpe simultanée de matériaux hétérogènes, notamment constituant un matériel ou un véhicule (1), dans lequel lesdits matériaux hétérogènes sont découpés simultanément par des moyens de découpe (2) à eau sous haute pression sous la forme d'un jet d'eau haute pression avec ou sans charge. Dispositif de mise en oeuvre du procédé précédent.

Description

La présente invention concerne un procédé de découpe simultanée de

matériaux hétérogènes, notamment constituant un matériel ou un véhicule, dans lequel lesdits matériaux hétérogènes sont découpés simultanément par des moyens de

découpe à eau sous haute pression sous la forme d'un jet d'eau haute pression avec ou sans charge.

La présente invention entre dans le domaine de la découpe de matériaux, en particulier la découpe simultanée de matériaux hétérogènes.

Elle trouvera une application toute particulière dans le domaine de la découpe des matériaux constituants un matériel ou, et de façon non exhaustive, dans la découpe de tout assemblage de matériaux hétérogènes, par exemple un véhicule, un moteur, un objet manufacturé, un produit naturel etc. La découpe d'un matériel consiste à sectionner tout ou partie desdits éléments constitutifs et, est envisagée afin d'étudier, par exemple, les contraintes que subissent les matériaux lors de l'assemblage ou de l'utilisation dudit matériel. En particulier, dans le domaine automobile ou de l'aéronautique, la découpe de tout ou partie d'un véhicule à différentes étapes de sa fabrication permet d'analyser les tensions que subissent les matériaux, par exemple le châssis après le ferrage, les vitres après la pose, les homologations de procédé de fabrication (collage, peinture, soudure, etc.).

La découpe entre aussi dans le domaine de l'expertise, par exemple pour expertiser la déformation d'une partie de l'habitacle lors d'un crashtest ou d'un accident ainsi que la déformation liée à une utilisation prolongée ou dans des conditions particulières.

La découpe a donc un rôle de contrôle et d'expertise du matériel.

En effet, la radiographie d'un véhicule ne peut pas fournir une information précise sur un ensemble hétérogène de matériaux, les coefficients d'absorption variant en fonction des matériaux. C'est pourquoi on a recours à la découpe des matériaux, notamment en mode préparatoire ou d'expertise.

Tout particulièrement, afin de comparer un matériel par rapport à un matériel dit témoin, il est nécessaire de réaliser deux découpes rigoureusement identiques, à partir de points de référence. Un dispositif de découpe doit donc posséder un système de coordonnées ou de référencement très précis et fiable afin de reproduire des coupes identiques d'un matériel à un autre.

L'état de la technique connaît déjà un dispositif de découpe de matériaux hétérogènes comprenant des moyens de découpe se présentant sous la forme d'une scie circulaire, à ruban, d'une meule ou d'un câble. Ces moyens s'avèrent être peu précis dans la tolérance de la découpe qui varie de 1 à 5 cm. De plus, un inconvénient de l'utilisation d'une scie réside dans la déformation locale des matériaux lors de la découpe, notamment au niveau des tôles et lors de la découpe simultanée de plusieurs matériaux différents (métal, caoutchouc, tissu, etc.) qui provoque des bavures, faussant ainsi l'expertise qui sera réalisée ultérieurement sur ces matériaux. De surcroît, un tel dispositif ne permet pas la découpe du verre.

Il a été imaginé un dispositif de découpe utilisant un rayon laser. Beaucoup plus précis, le laser pose toutefois le problème de ne pas pouvoir découper simultanément plusieurs matériaux de natures différentes en raison des contraintes liées à la focalisation du rayon sur le matériau à découper. De plus, la découpe de certains matériaux n'est pas précise, en particulier les matériaux polymères employés dans l'isolation phonique, thermique ou pour l'étanchéité du véhicule et qui fondent sous l'effet de la chaleur.

D'autres dispositifs ont été envisagés tel la découpe au plasma, au chalumeau, par cisaillage ou par ultrasons mais n'apportent pas entière satisfaction, notamment en raison de la dégradation subie par les matériaux.

En outre, les dispositifs de l'état de la technique présentent les inconvénients d'être coûteux en énergie et d'un rendement faible, à raison d'une ou deux découpes de véhicules par semaine. De plus, les arêtes découpées s'oxydent rapidement, notamment au travers d'une formation de rouille qui est constatée sur les parties métalliques, gênant ensuite l'expertise. Les dispositifs existants ne permettent pas une découpe satisfaisante de certains matériaux particulièrement résistants, comme le verre, ou des matériaux élastiques comme certains revêtements intérieurs en tissus, polymères, etc. Les coupes de ces matériaux présentent alors des bavures. De plus, lorsque plusieurs pièces, constituées de matériaux différents, sont superposées, les dispositifs de découpe connus n'apportent pas la qualité de découpe adéquate, voire ne permettent simplement pas cette découpe hétérogène.

Enfin, les dispositifs utilisés n'ont pas la précision requise pour reproduire des découpes identiques d'un matériel à un autre, notamment en raison du système de coordonnées et des points de références utilisés. En particulier, il est connu d'établir manuellement, dans le cas d'une découpe par un dispositif mécanique comme une scie, les coordonnées de découpe, augmentant par conséquent la marge d'erreur et la tolérance d'une telle découpe. De surcroît, la poursuite d'une telle découpe n'est pas régulière.

La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant un procédé de découpe simultanée de plusieurs épaisseurs de matériaux hétérogènes, offrant une précision reproductible de l'ordre du millimètre, diminuant l'oxydation des arêtes une fois découpées et respectant l'état des matériaux en présence dans des modes d'assemblage..

De plus le procédé de découpe selon l'invention et son dispositif de mise en oeuvre permettent la découpe en trois dimensions et l'accès pour la découpe à l'intérieur dudit matériel. Enfin, il propose un rendement supérieur pour un coût plus faible comparé aux dispositifs connus.

Pour ce faire la présente invention concerne un procédé de découpe simultanée de matériaux hétérogènes, notamment constituant un matériel ou un véhicule, dans lequel lesdits matériaux hétérogènes sont découpés simultanément par des moyens de découpe à eau sous haute pression sous la forme d'un jet d'eau haute pression avec ou sans charge.

Avantageusement, l'eau du jet est soumise à une pression allant jusqu'à 4 100 bars.

De préférence, la charge consiste à ajouter un abrasif, notamment sous forme de particules minérales, au jet d'eau sous pression.

De plus, ledit abrasif est constitué en tout ou partie de particules d'olivine, de corindon, de grenat ou d'une 10 combinaison de ces derniers.

Avantageusement, ce procédé consiste à déplacer le jet dans l'espace selon les trois dimensions, en particulier à l'intérieur dudit matériel ou véhicule, au travers de moyens de déplacement, notamment au moins un axe numérique, en particulier huit ou neuf axes numériques.

De préférence, ce procédé consiste à orienter le jet lors de son déplacement de façon à ce qu'il soit en biais par rapport à la surface du matériau à découper, formant un angle de coupe variant en fonction du matériau.

L'invention concerne aussi un dispositif de mise en oeuvre du procédé de découpe précédent comprenant des moyens de découpe simultanée de matériaux hétérogènes se présentant sous la forme d'un jet d'eau à haute pression avec ou sans charge.

Avantageusement, ledit jet comprend une tête de découpe orientée dans l'espace selon les trois dimensions sur des moyens de déplacement déterminés, en leurs emplacements, par suivi de trajectoire.

De plus, lesdits moyens de déplacement comprennent au moins un axe numérique, en particulier trois axes numériques montés sur un portique recevant un bras inversé, de type bras de robot pourvu d'au moins un axe numérique, de préférence six axes numériques.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence à la figure 1 annexée, représentant une vue schématique du dispositif de découpe selon l'invention.

La présente invention concerne un procédé de découpe de matériaux, en particulier la découpe simultanée de plusieurs matériaux hétérogènes. Ce procédé de découpe trouvera préférentiellement son application dans la découpe de matériel, et, dans l'exemple représenté sur la figure 1, de la découpe d'un véhicule 1, notamment et de façon non limitative dans le domaine de l'industrie automobile ou aéronautique.

La mise en oeuvre du procédé de découpe selon l'invention permet une analyse immédiate du comportement des matériaux en déformation et de leur résistance, notamment au travers du pointage de références géométriques sur les matériaux découpés par rapport à leur positionnement initial sur un matériau de référence. A ce propos, selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le point de référence du système de coordonnées peut être le moyeu avant droit d'un véhicule automobile.

La présente invention utilise des moyens de découpe 2 par jet d'eau très haute pression. Une pompe haute pression, non représentée, située à l'extérieur du volume de découpe achemine au travers de tuyau souples et/ou rigides l'eau sous pression jusqu'audit volume de découpe. L'eau à haute pression, ainsi distribuée à la manière d'air comprimé, est concentrée au passage dans une buse en un jet ayant la puissance nécessaire pour sectionner des matériaux de densité élevée, notamment le métal ou tout autre matériau. Selon un mode de réalisation, ladite pompe haute pression, d'une puissance variant de 15 à 50 CV, peut alimenter plusieurs jets d'une puissance de 10 à 12 CV.

Un jet d'eau, dit pur, peut être utilisé pour des matériaux dits non durs.

Dans le cas de matériaux dit durs, une charge, notamment sous la forme d'un abrasif, peut être ajouté à l'eau sous pression pour améliorer la puissance de découpe dudit jet. Ce dernier est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres de diamètre pour une pression variant de basse à haute, soit l'équivalent de plusieurs milliers de bars, en particulier allant jusqu'à 4 100 bars.

A ce propos, l'abrasif ajouté à l'eau sous pression permet d'améliorer le pouvoir de découpe du jet et sont des véhicules d'énergie cinétique associés au jet d'eau. Cet abrasif peut être préférentiellement de type particule minérale et choisi en fonction du type de matériau à sectionner, certains minéraux plus durs étant utilisés pour couper l'acier ou le verre. En particulier, l'abrasif peut être constitué, de façon non limitative, en tout ou partie de particules de grenat, d'olivine, de corindon ou d'une combinaison de ces produits. L'abrasif est véhiculé en amont de la buse pour être intégré au jet d'eau. Un coagulant de type résine pourra être ajouté facilitant ainsi la focalisation du jet et caractérisant la rhéologie de déplacement des particules.

L'ajout et la pulvérisation d'abrasif confèrent un autre avantage à la découpe par jet d'eau à haute pression en écrouissant les arêtes de la découpe. Ces arêtes sont alors partiellement protégées de l'oxydation ou de la corrosion. En particulier, cet écrouissage diminue la formation de rouille prématurée, notamment sous la forme de fleur de rouille.

De plus, le changement du type d'abrasif, suivant les matériaux à découper, peut s'effectuer rapidement au travers d'un changement de la buse et du système d'alimentation. En particulier, plusieurs buses peuvent être montées à la manière d'un barillet ou d'une rampe pour pouvoir être permutées automatiquement en fonction des besoins. Ceci procure l'avantage de n'équiper les moyens de découpe 2 que d'un unique moyen d'acheminement de l'eau sous pression au travers de plusieurs systèmes de gestion et de distribution d'abrasif.

Un paramétrage de la pompe offre la possibilité de faire varier la pression du jet d'eau en fonction du type de matériaux à découper et/ou de l'abrasif utilisé Un avantage de l'utilisation d'un jet d'eau à haute pression réside tout d'abord dans la précision du jet, très fin, qui offre une tolérance des arêtes de découpe de l'ordre du millimètre, de préférence entre 1,5 et 3 millimètres, valeurs déterminées par les constructeurs et correspondant aux tolérances locales des pièces mâles et femelles.

Lors de la découpe d'un matériau, le jet est positionné de préférence en biais par rapport à la surface dudit matériau de manière à améliorer la puissance de découpe du jet et sa continuité, l'angle entre le jet et la surface du matériau étant déterminé en fonction de la caractérisation des assemblages et leur constituant. Cet angle est positif ou négatif par rapport à l'avancée dudit jet lors de la découpe, un angle positif se traduisant par un sens de déplacement du jet identique au sens de pulvérisation dudit jet, un angle négatif se traduisant par un sens de déplacement opposé du jet par rapport à son sens de pulvérisation.

De plus, le jet permet de sectionner plusieurs épaisseurs de matériaux. simultanément ou au cours de la même étape. En particulier, le jet peut sectionner plusieurs épaisseurs de matériaux disposés en couches successives, parallèlement ou non, les unes par rapport aux autres. Le dispositif de découpe permet de mouvoir angulairement les moyens de découpe 2 de manière à ce que le jet soit continuellement disposé en orientation de coupe par rapport à chacune des couches de matériau à sectionner. Dans le cas de couches disposées dans n'importe quel sens, le procédé consiste à orienter le jet de façon à ce qu'il soit successivement en situation optimale de poursuite de coupe par rapport à la surface de chaque couche.

A ce propos, le déplacement du jet peut s'effectuer dans l'espace, selon les trois dimensions, au travers de moyens de déplacement. Ces moyens de déplacement peuvent se présenter sous la forme d'au moins un axe numérique 3 sur lequel est articulée une tête 4 de découpe comprenant ladite buse et son alimentation.. Cet axe numérique peut être positionné sous six axes de positionnement. En particulier, ces moyens de déplacement peuvent se présenter sous la forme de trois axes numériques 3A,3B,3C montés sur un portique 5, le portique entourant ledit véhicule 1 à découper de manière à ce que le jet puisse circuler autour des quatre faces du véhicule et au-dessus du toit, ainsi qu'à l'intérieur du volume de l'objet. Notamment, les axes numériques 3 peuvent être positionnés mobiles sur le portique 5 de façon à ce qu'ils soient situés au-dessus dudit véhicule 1. Ces axes numériques 3 peuvent être disposés orthogonalement les uns par rapport aux autres afin de générer un déplacement suivant un repère cartésien classique à trois axes de codrdonnées ou avec des positionnements en repères relatifs ou satellitaires.

La tête de découpe 4 peut être orientée dans l'espace selon les trois dimensions sur des moyens de déplacement déterminés, en leurs emplacements, par suivi de trajectoire.

Les vecteurs de vitesse de déplacement ou d'accélération desdits axes numériques 3 peuvent être pris en compte par le dispositif selon l'invention, en particulier par des moyens de gestion, et calculés hors des déplacements, les vecteurs d'accélération résiduelle étant considérés et gérés.

Cette disposition des moyens de déplacement sous la forme d'un portique permet de dégager le volume de découpe et de mouvoir les moyens de découpe 2 tout autour du véhicule 1 ou du matériel à expertiser.

Selon un mode de réalisation de l'invention, la tête 4 de découpe est montée sur un bras 6 articulé, de type bras de robot solidaire desdits axes 3 montés sur le portique 5. Ce bras peut être monté inversé, soit à l'envers, sur lesdits moyens de déplacement. Ce bras 6 peut être de préférence un bras de robot articulé selon un axe numérique et selon la situation de déplacement, de préférence de type dite de poignet numérisé et de préférence selon six axes numériques, pour lui donner une mobilité optimale. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de découpe comprend huit ou neuf axes numériques. Ce bras 6 permet d'améliorer la découpe au travers d'un positionnement plus précis et offre la possibilité de réaliser des découpes à partir de l'intérieur du matériel ou véhicule 1, le bras 6 supportant le jet traversant une ouverture telle les fenêtres, les portes, la pavillon arrière ou analogue dans le cas de la découpe d'un véhicule 1 automobile.

Les axes numériques 3 et le bras 6 supportant la tête de découpe 4 peuvent être commandés au travers d'une commande numérique, d'un automate programmable, des systèmes de calcul ou analogue. Ces moyens de gestion automatique offrent l'avantage de minimiser les erreurs manuelles et de permettre une reproduction d'une même découpe sur des véhicules différents, garantissant les coordonnées de coupe en permanence lors des trajectoires.

Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens d'acheminement de l'eau sous pression depuis la pompe haute pression vers le volume ou l'enceinte de découpe peuvent se présenter sous la forme d'au moins un tuyau rigide entre la pompe haute pression et le portique 5 et d'au moins un tuyau souple depuis le portique 5 jusqu'au bras 6 et la tête de découpe 4.

Lors de la découpe du matériel ou du véhicule 1, ce dernier est positionné sur un référentiel d'ablocage 7 disposé sur un bac 8 destiné à récupérer les boues composées de l'eau de coupe et de l'abrasif. Des moyens de fixation peuvent être ajoutés pour maintenir le véhicule et/ou les différentes parties une fois sectionnées.

Un avantage de la découpe à jet d'eau très haute pression selon l'invention réside, de surcroît, dans le fait de supporter sur un bras 6 le jet d'eau haute pression, les moyens mis en oeuvre offrant une résistance suffisante au poids dudit bras 6, à la puissance développée par ledit jet d'eau ainsi qu'aux forces provenant des vecteurs de l'action mécanique au niveau de la coupe.

Le procédé selon l'invention permet, au travers de l'utilisation d'un jet d'eau à haute pression, une découpe chirurgicalement précise des matériaux, sans bavure. A la manière d'un microtome, les découpes peuvent se succéder à faible distance, produisant ainsi des tranches rapprochées facilitant l'expertise.

De plus, un autre avantage du procédé de découpe par jet très haute pression réside dans la rapidité de la coupe, d'une durée de quelques dizaines de minutes, permettant de découper un à deux véhicules par jour. Le procédé de découpe offre aussi l'avantage de pouvoir assurer facilement une sécurité autour de la zone de découpe.

Le procédé selon l'invention présente l'avantage d'offrir une systématique de découpe et d'échantillonnage scientifique, une précision, une répétitivité ainsi qu'une une répétabilité en terme de fichiers de parcours mais également au sens tridimensionnel et multi-matériaux, sans dégrader lesdits matériaux au niveau de la coupe, conservant leurs caractéristiques métallurgiques et leurs contraintes résiduelles, de position et d'assemblage.

Le procédé de découpe selon l'invention trouvera aussi son application dans le domaine de la découpe d'ensembles finis et montés de haute valeur, tels un prototype ou un aéronef, ou encore pour la réalisation d'implantations particulières ou de variantes de réalisation, dans le cas d'un prototype ou d'une pose d'options.

D'autres applications seront envisagées dans les domaines du développement durable pour combattre la pénurie de matériaux, le démantèlement sécurisé de produits ou matériaux dits sensibles, par exemple de type radioactif, l'analyse et la désactivation de charges explosives actives ou passives. L'invention pourra être aussi utilisée dans l'agroalimentaire pour la pascalisation, l'analyse stratigraphique ou encore l'analyse de produits ou matériaux, ainsi que dans le développement d'outils tridimensionnel, en particulier le découpage numérisé de matériaux, la sérialisation des éléments les constituant, le repérage et traçage d'un ensemble ou sous-ensemble d'éléments assemblés, le prototypage et retour d'expériences sur les éléments constitutifs de grosses installations.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés et décrits précédemment qui peuvent présenter des variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Procédé de découpe simultanée de matériaux hétérogènes, notamment constituant un matériel ou un véhicule (1), dans lequel lesdits matériaux hétérogènes sont découpés simultanément par des moyens de découpe (2) à eau sous haute pression sous la forme d'un jet d'eau haute pression avec ou sans charge.

2. Procédé de découpe selon la revendication 1, 10 caractérisé par le fait que l'eau du jet est soumise à une pression allant jusqu'à 4 100 bars.

3. Procédé de découpe selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la charge consiste à ajouter un abrasif, notamment sous forme de particules minérales, au jet d'eau sous pression.

4. Procédé de découpe selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit abrasif est constitué en tout ou partie de particules d'olivine, de corindon, de grenat ou d'une combinaison de ces derniers.

5. Procédé de découpe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste à déplacer le jet dans l'espace selon les trois dimensions, en particulier à l'intérieur dudit matériel ou véhicule (1), au travers de moyens de déplacement, notamment au moins un axe numérique (3), en particulier huit ou neuf axes numériques (:3).

6. Procédé de découpe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste à orienter le jet lors de son déplacement de façon à ce qu'il soit en biais par rapport à la surface du matériau à découper, formant un angle de coupe variant en fonction du matériau.

7. Dispositif de mise en oeuvre du procédé de découpe selon l'une quelconque des revendications précédentes, 35 caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de découpe (2) simultanée de matériaux hétérogènes se présentant sous la forme d'un jet d'eau à haute pression avec ou sans charge.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit jet comprend une tête de découpe (4) orientée dans l'espace selon les trois dimensions sur des moyens de déplacement déterminés, en leurs emplacements, par suivi de trajectoire.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que lesdits moyens de déplacement comprennent au moins un axe numérique (3), en particulier trois axes numériques (3) montés sur un portique (5) recevant un bras (6) inversé, de type bras de robot pourvu d'au moins un axe numérique (3), de préférence six axes numériques (3).