FR3106893A1

FR3106893A1 - Dispositif de mesure de la température de surface d’un objet, système de contrôle des paramètres de gravure d’un laser mettant en œuvre ce dispositif et procédé lié.

Info

Publication number: FR3106893A1
Application number: FR2001136A
Authority: FR
Inventors: Antonin BOULAND; Marie Geleoc; Jean-Philippe RENAULT
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Renault SAS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Renault SAS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2020-02-05
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2040-02-05
Also published as: FR3106893B1

Abstract

L’invention concerne un dispositif (100) de mesure d’une température de surface d’un objet (OB), le dispositif (100) comportant : - une embase (10) dont une face principale (11), définissant un plan (XY), est munie d’un marquage (12); - une paroi (20) montée sur ladite embase (10) et dont une face (F) définit un plan (YZ) perpendiculaire à la face principale (11) de l’embase (10) ; - un thermomètre infrarouge (30) comportant un axe de visée (AV) et monté sur la paroi (20) de sorte que, dans un plan (P) qui est d’une part à la fois perpendiculaire à ladite face principale (11) de l’embase (10) et à ladite face (F) de la paroi (20) et qui comprend d’autre part ledit axe de visée (AV), l’angle (α) formé entre ledit axe de visée (AV) et la face (F) de la paroi (20) soit agencé pour que ledit axe de visée (AV) passe par le marquage (12) de la face principale (11) de l’embase (10). L’invention concerne également un système de contrôle des paramètres de gravure d’un laser mettant en œuvre le dispositif, ainsi qu’un procédé lié. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif de mesure de la température de surface d’un objet, système de contrôle des paramètres de gravure d’un laser mettant en œuvre ce dispositif et procédé lié.

Domaine technique de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine de la gravure laser.

Arrière-plan technique

Dans le domaine de la gravure laser, un paramètre important à maîtriser est la température de la surface de la cible gravée par le laser. Cette température est déterminée par les paramètres de contrôle du laser (puissance, durée d’un pulse, fréquence des pulses, etc…) pour réaliser la gravure. La connaissance de cette température permet de savoir quels sont les paramètres de contrôle de gravure qu’il faut employer pour le laser.

La mesure de la température peut être effectuée par différentes techniques.

Par exemple, dans l’article de H.C. LE & al.,«Temperature measurements during laser ablation of Si into He, Ar and O ₂ », Applied Surface Science 96-98 (1996), pp. 164-169, la technique employée pour mesurer la température de surface de la cible est basée sur la fluorescence induite par laser. Cette technique permet de mesurer un niveau de signal obtenu par fluorescence en fonction de la longueur d’onde. Des données théoriques permettent ensuite de déterminer indirectement la température recherchée.

Dans l’article de MOKHTARI-DIZAJI & al,«Ultrasound monitoring of temperature change in liver tissue during laser thermotherapy: 10°C intervals», la technique pour mesurer la température de surface de la cible (tissu) est basée sur une mesure des ultrasons émis par la cible. On peut ensuite déterminer indirectement la température recherchée, du fait que la vitesse du son dépend de la température.

D’autres auteurs ont notamment propose l’emploi d’un capteur ou thermomètre infrarouge, qui fournit une mesure plus directe de la température.

Ainsi, dans B.J.F. WONG & al.,«Measurement of Radiometric Surface Temperature and Integrated Backscattered Light Intensity During Feedback Controlled Laser-Assisted Cartilage Reshaping», lasers Med. Sci., 1998, vol. 13, pp. 66-72, on propose d’utiliser un capteur infrarouge de type HgCdTe.

Dans S ELHADJ & al.,«Combined Infrared Thermal Imaging and Laser Heating for the Study of Materials Thermophysical and Processing Properties at High Temperatures», Critical Reviews in Solid Sate and Materials Sciences, , vol. 39, pp. 175-196 (2014), on propose l’emploi d’une caméra infrarouge, combinée à un capteur HgCdTe.

Aucune de ces références ne propose cependant une solution pour mesurer correctement la température de surface d’une cible pouvant être employée sur des sites industriels où les conditions environnementales (température, hygrométrie, type de laser) changent d’un site industriel à l’autre.

Aucune de ces références ne propose par ailleurs une solution compacte pouvant notamment être transportée aisément d’un site industriel à un autre.

Aucune de ces références ne s’intéresse en outre à la détection éventuelle des défauts du laser de gravure, notamment liés au fait que les paramètres de contrôle de gravure de laser peuvent, au cours du temps, ne plus correspondre, pour un matériau donné, à l’obtention d’une température de surface de la cible telle qu’elle a été calibrée pendant sa fabrication.

L’invention vise à résoudre l’un au moins des inconvénients précités.

A cet effet, l’invention propose un dispositif de mesure d’une température de surface d’un objet, le dispositif comportant:
- une embase dont une face principale, définissant un plan, est munie d’un marquage;
- une paroi montée ou apte à être montée sur ladite embase et dont une face définit un plan perpendiculaire à la face principale de l’embase;
- un thermomètre infrarouge comportant un axe de visée et monté, ou apte à être monté, sur la paroi de sorte que, dans un plan qui est d’une part à la fois perpendiculaire à ladite face principale de l’embase et à ladite face de la paroi et qui comprend d’autre part ledit axe de visée, l’angle α formé entre ledit axe de visée et la face de la paroi soit agencé, ou apte à être agencé, pour que ledit axe de visée passe, ou puisse passer, par le marquage de la face principale de l’embase.

Le dispositif pourra en outre comprendre au moins l’une des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison, parmi lesquelles:
- la paroi est munie de moyens pour faire coulisser un support du thermomètre infrarouge selon une direction, dite de coulissement, perpendiculaire à la face principale de l’embase;
- le dispositif comprend une première graduation pour mesurer une valeur du déplacement par coulissement du support par rapport au reste de la paroi;
- les moyens pour faire coulisser le support du thermomètre infrarouge comprennentau moins deux guides sur lequel le support est monté, chaque guide présentant une direction d’extension principale perpendiculaire à la face principale de l’embase, ainsi qu’un actionneur pour assurer le coulissement du support par rapport aux guides;
- le dispositif comporte des moyens pour positionner l’objet sur la face principale de l’embase;
- les moyens pour positionner l’objet sur la face principale de l’embase comportent des orifices réalisés dans l’embase et des plots configurés pour s’insérer dans les orifices;
- le thermomètre infrarouge est monté sur un axe de montage par une liaison pivot de sorte que l’axe de montage définit un axe de rotation avec lequel ledit angle α peut être ajusté;
-le dispositif comprend une deuxième graduation pour mesurer une valeur dudit angle α;
-le thermomètre infrarouge est choisi parmi une caméra infrarouge, un pyromètre, une photodiode ou un ensemble de photodiodes.

A cet effet également, l’invention propose un système de contrôle des paramètres de gravure d’un laser, ledit système comprenant:
- un dispositif selon l’invention,
- au moins un objet de géométrie déterminée et réalisé en un matériau déterminé,
- un ordinateur apte à être connecté en sortie du thermomètre infrarouge pour recevoir des données fournies par le thermomètre infrarouge, l’ordinateur comportant un ou plusieurs processeur(s) configuré(s) pour traiter les données susceptibles d’être fournies par le thermomètre infrarouge ainsi qu’une mémoire apte à stocker les données susceptibles d’être traitées.

Le système conforme à l’invention pourra par ailleurs comprendre l’une au moins des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison:
- la mémoire stocke des données reliant, pour ledit au moins un objet, l’évolution de sa température de surface en fonction des paramètres de gravure d’un laser de référence et en ce que le ou les processeur(s) est(sont) configuré(s) pour comparer l’évolution de la température de surface dudit objet (OB) pour des mêmes paramètres de gravure entre le laser et le laser de référence.

Enfin, l’invention propose aussi un procédé de contrôle des paramètres de gravure d’un laser, ledit procédé comportant les étapes suivantes:
a) installer le dispositif selon l’invention de sorte que l’axe de visée du thermomètre infrarouge passe par le marquage de la face principale de l’embase, ceci permettant de définir une zone de visée du thermomètre infrarouge, de forme elliptique autour du marquage, sur la face principale de l’embase,
b) positionner le laser par rapport au marquage de la face principale de l’embase de sorte que le faisceau laser destiné à être émis par le laser soit dans la zone de visée du thermomètre infrarouge,
c) installer, sur la face principale de l’embase, un objet de géométrie déterminée, réalisé en un matériau déterminé et dont l’évolution de la température de surface en fonction des paramètres de gravure du laser est connue,
d) réaliser la gravure laserde l’objet avec des paramètres de gravure déterminés, le faisceau laser émis par le laser parcourant à cet effet la zone de visée du thermomètre infrarouge et dans le même temps, mesurer l’évolution de la température de surface d’une face de l’objet qui est exposée au faisceau laser,
e) analyser l’évolution de la température de surface de la face de l’objet qui a été exposée au faisceau laser pour contrôler les paramètres de gravure du laser.

Le procédé selon l’invention pourra par ailleurs mettre œuvre, l’une au moins des étapes suivantes, prises seules ou en combinaison:
- les étapes a) à e) sont répétées pour au moins un autre objet de géométrie déterminée et réalisée en un autre matériau déterminé;
- l’étape e) comprend une étape consistant à comparer l’évolution de la température de surface mesurée à l’étape d) à des données préalablement stockées fournissant l’évolution de la température de surface d’un objet réalisé en un même matériau déterminé et en fonction des mêmes paramètres de gravure que ceux de l’étape d);
- au cours de l’étape a), ou après l’étape a) mais avant l’étape d), on fait coulisser le support, sur lequel le thermomètre infrarouge est monté, d’une distance égale à l’épaisseur e, au droit du marquage, de l’objet destiné à être installé ou installé pendant l’étape c), de sorte que l’axe de visée et ainsi la zone de visée du thermomètre infrarougetranslate, selon la direction, dite de coulissement, perpendiculaire à la face principale de l’embase, sur la face de l’objet destiné à être exposée au faisceau laser;
- au cours de l’étape a), ou après l’étape a) mais avant l’étape d), on ajuste ledit angle α de sorte à adapter l’excentricité de la forme elliptique de la zone de visée du thermomètre infrarouge.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés et pour lesquels:

La figure 1 est une vue en perspective d’un dispositif conforme à l’invention, sur lequel a été placé un objet dont on cherche à mesurer la température de surface;

La figure 2 est une vue de côté du dispositif représenté sur la figure 1;

La figure 3 est un schéma explicatif du réglage du dispositif représenté sur les figures 1 et 2, pour prendre en compte la géométrie de l’objet dont on cherche à mesurer la température de surface;

La figure 4 représente un système, conforme à l’invention, de contrôle des paramètres de gravure d’un laser:

la figure 5 est un schéma d’un procédé, conforme à l’invention, de contrôle des paramètres de gravure d’un laser;

la figure 6 représente des résultats de tests de gravure.

Description détaillée de l'invention

Dans toute la description qui suit, les axes X, Y et Z sont des axes perpendiculaires deux à deux.

Les figures 1 à 3 représentent, conformément à l’invention, un dispositif 100 de mesure d’une température de surface d’un objet.

Le dispositif 100 comporte une embase10 dont une face principale 11, définissant un plan XY, est munie d’un marquage 12, en l’occurrence en forme de croix sur les figures annexées.

Le dispositif 100 comporte également une paroi 20 montée sur l’embase 10 dont une face F définit un plan YZ perpendiculaire au plan XY formé par la face principale 11 de l’embase10.

Le dispositif 100 comporte aussi un thermomètre infrarouge 30 monté sur la paroi 20, avantageusement par le biais d’une pièce intermédiaire PI.

Le thermomètre infrarouge 30 présente un axe de montage AM par rapport à la paroi 20, cet axe de montage AM étant plus particulièrement prévu sur la pièce intermédiaire PI lorsque cette dernière est mise en œuvre. L’axe de montage AM est orienté selon la direction définie par l’axe Y.

Le thermomètre infrarouge 30 est par ailleurs monté sur la paroi 20 de façon particulière. En effet, dans un plan P qui est d’une part à la fois perpendiculaire à la face principale 11 de l’embase 10 et à la face F de la paroi 20 et qui comprend d’autre part l’axe de visée AV du thermomètre infrarouge 30, cet axe de visée AV définit un certain angle α avec la face F de la paroi 20 puisque le thermomètre infrarouge 30 est agencé pour que ledit axe de visée AV passe par le marquage 12 de la face principale 11 de l’embase 10. On comprend donc que le plan P est un plan défini selon des directions parallèles aux axes X et Z et bien entendu, dans lequel l’axe de visée AV du thermomètre infrarouge 30 est inclus. L’axe de visée AV passant par le marquage 12, l’angle α est de fait un angle aigu. Le point d’intersection entre l’axe de visée AV du thermomètre infrarouge 30 et la face F de la paroi 20 est noté I. On pourra se référer à la figure 2 pour visualiser l’angle α.

On notera que l’angle α peut être défini autrement et de manière totalement équivalente, comme étant l’angle formé entre l’axe de visée AV, appartenant au plan P tel que défini précédemment, et tout plan parallèle à la face F de la paroi 20. C’est en particulier le cas avec le plan Y’Z’, parallèle au plan YZ, et passant par l’axe de montage AM du thermomètre infrarouge 30. Le point d’intersection entre l’axe de visée AV du thermomètre infrarouge 30 et le plan YZ’ est noté I’. On pourra une nouvelle fois se référer à la figure 2 pour visualiser l’angle α dans ce cas.

Par ailleurs, la paroi 20 peut être munie de moyens 21, 22, 23 pour faire coulisser un support 24 du thermomètre infrarouge 30 selon une direction Z, dite de coulissement, perpendiculaire au plan XY formé par la face principale 11 de l’embase 10.A titre d’exemple non limitatif et comme représenté sur les figures, les moyens 21, 22, 23 pour faire coulisser le support 24 comprennentau moins deux guides 21, 22 sur lequel le support 24 est monté, chaque guide 21, 22 présentant une direction d’extension principale Z perpendiculaire au plan XY formé par la face principale 11 de l’embase 10, ainsi qu’un actionneur 23 pour assurer le coulissement du support 24 par rapport aux guides 21, 22. Dans le cas représenté sur les figures 1 et 2, l’actionneur 23 se présente sous la forme d’une manivelle montée sur un arbre en prise avec le support 24. On pourrait cependant prévoir un actionneur électrique.

Pour faciliter la mesure de la valeur du déplacement par coulissement du support 24 par rapport au reste de la paroi 20, on peut avantageusement prévoir une première graduation PG.

On notera que les moyens 21, 22, 23, 24 permettent d’adapter le dispositif 100 à la géométrie de l’objet OB pour lequel on va chercher à déterminer la température de surface.

De tels moyens 21, 22, 23, 24 ne sont pas nécessaires.

En effet, dans le cadre de l’invention, il est envisageable de prévoir que tous les objets à tester présentent une même géométrie, par exemple sous la forme d’une plaque de longueur, largeur et épaisseur identiques, mais soient réalisés dans des matériaux différents. Dans ce cas, le dispositif peut être dimensionné de manière définitive pour prendre en compte la géométrie, toujours identique des différents objets à tester. Dans le cas particulier d’une plaque, il est alors suffisant de prendre en compte l’épaisseur de la plaque.

Au contraire, lorsque le dispositif 100 selon l’invention est destiné à déterminer la température d’objets qui présentent des géométries différentes, il devient alors utile de prévoir les moyens pour faire coulisser le support 24 du thermomètre infrarouge 30.

On peut comprendre l’effet du déplacement par coulissement selon l’axe Z du thermomètre infrarouge 30 à l’appui de la figure 3. Sur cette figure 3, on a fait le choix de la représentation de l’angle α en référence au plan Y’Z’, parallèle à la face F de la paroi 20 et passant par l’axe de montage AM du thermomètre infrarouge 30. Cette figure 3 est par ailleurs représentée dans le plan P, tel que défini précédemment. Sur cette figure 3, on a également représenté une position initiale dans laquelle l’axe de visée AV1 du thermomètre infrarouge 30 passe par le marquage 12 prévu sur la face principale 11 de l’embase 10 du dispositif 100. Le point d’intersection entre l’axe de visée AV1, appartenant au plan P, et le plan Y’Z’ est noté I’₁. En posant l’objet OB sur la face principale 11 de l’embase 10, en l’occurrence une plaque d’épaisseur e constante, il convient alors de faire coulisser le support 24, selon l’axe Z’, d’une distance ΔH, entre la valeur H₁initiale et la valeur H₂finale, égale à l’épaisseur e de la plaque OB, à savoir ΔH = e. Après ce coulissement, l’axe de visée du thermomètre infrarouge 30 devient l’axe référencé AV2, lequel rencontre la face principale F_Pde la plaque OB au droit du marquage 12, au niveau du point référencé 12’. Le point d’intersection I’₁défini précédemment devient alors le point I’₂, intersection entre l’axe de visée AV2, appartenant au plan P, et le plan Y’Z’. L’angle α est inchangé par le coulissement du support 24 sur la hauteur ΔH.

De ce fait, on comprend que cela permet d’adapter le dispositif 100 quelle que soit l’épaisseur de la plaque et plus généralement en fonction de la géométrie de l’objet considéré. En effet, le dispositif 100 conforme à l’invention est notamment destiné, comme on le comprendra mieux par la suite, à tester les paramètres de gravure d’un laser sur un objet de géométrie et de nature déterminées. Dans ce cadre, il est important de s’assurer que la zone de gravure du laser corresponde à la zone de visée du thermomètre infrarouge aux fins de mesurer correctement la température de surface (face F_P) de l’objet OB.

Avantageusement, le thermomètre infrarouge 30 peut être monté sur une liaison pivot. Dans ce cas, l’axe de montage AM définit également un axe de rotation, ce qui permet d’ajuster l’angle α.

Ce montage sur liaison pivot du thermomètre infrarouge 30 n’est pas nécessaire.

Comme indiqué précédemment, il est en effet envisageable de dimensionner le dispositif 100 de manière définitive pour prendre en compte la géométrie toujours identique de différents objets à tester. Toutefois, lorsque le dispositif 100 est destiné à déterminer la température d’objets qui présentent des géométries différentes, se donner la possibilité de faire tourner le thermomètre infrarouge 30 autour de son axe de rotation AM est avantageux. Par ailleurs, le fait de pouvoir ajuster la valeur de l’angle α est également intéressant pour s’adapter à différents types de laser de gravure.

En effet, le thermomètre infrarouge 30 définit, autour de son axe de visée AV, un certain champ de vision. En fonction de la nature du thermomètre infrarouge 30, ce champ de vision peut être défini par un certain angle solide. Du fait que l’angle α présente une certaine valeur, non nulle, il existe aussi un angle non nul entre l’axe de visée AV et le plan XY défini par la face principale 11 de l’embase 10. La projection de ce champ de vision sur une face plane (face principale 11 de l’embase 10 du dispositif 100 ou face principale F_Pde l’objet OB lorsqu’il s’agit par exemple d’une plaque) va donc définir une zone de visée ZV du thermomètre infrarouge 30 en forme d’ellipse ou, si la géométrie de la face principale F_Pde l’objet est non plane, en forme d’ellipsoïde. Dans tous les cas, l’ajustement de l’angle α permet de régler la forme de l’ellipse, en particulier son excentricité, ou de l’ellipsoïde. On peut ainsi s’adapter à différentes géométries d’objets, mais aussi à différents types de laser de gravure, qui doivent pouvoir décrire l’ellipse ou l’ellipsoïde en un temps raisonnable pour que la mesure de température soit la plus exacte possible.

Pour mesurer la valeur de l’angle α, on peut prévoir une deuxième graduation DG. Cette deuxième graduation DG peut notamment être prévue autour de l’axe de rotation AM pour fournir une lecture directe de la valeur de l’angle α.

Le thermomètre infrarouge 30 pourra notamment être choisi parmi une caméra infrarouge, un pyromètre, une photodiode ou un ensemble de photodiodes. Sur les figures annexées, il s’agit néanmoins d’un pyromètre.

Enfin, pour faciliter le positionnement de l’objet OB sur la face principale 11 de l’embase 10, il est possible de prévoir des moyens dédiés. Ces moyens peuvent par exemple comprendre des orifices 13 réalisés dans l’embase 10 et des plots 14 configurés pour s’insérer, de préférence de manière amovible, dans les orifices 13. Par exemple, on peut insérer deux plots dans deux orifices puis positionner l’objet contre les plots et éventuellement, placer un autres plot dans un autre orifice pour maintenir l’objet correctement (liaison encastrement).

Dans une variante, le dispositif 100 peut se présenter sous la forme d’un kit comportant l’embase 10, la paroi 20 et le thermomètre infrarouge 30. L’embase 10 comporte alors les caractéristiques mentionnées précédemment. La paroi 20 est alors apte à être montée sur l’embase 10, sa face F définissant un plan YZ perpendiculaire au plan XY formé par la face principale 11 de l’embase10. Enfin, le thermomètre infrarouge 30 est alors apte à être monté sur la paroi 20 de sorte que l’angle α tel que défini précédemment soit apte à être agencé pour que ledit axe de visée AV puisse passer par le marquage 12 de la face principale 11 de l’embase 10. Le montage de la paroi 20 sur l’embase 10 peut s’effectuer par tout moyen amovible approprié, par exemple des boulons. De manière analogue, le montage du thermomètre infrarouge 30 sur la paroi 20 peut s’effectuer par tout moyen amovible approprié, par exemple avec un ou plusieurs boulons ou par une complémentarité de formé entre le thermomètre infrarouge 30 et la paroi 20 assurant un encliquetage.

La figure 4 représente un système de contrôle des paramètres de gravure d’un laser, conforme à l’invention.

Le système S de contrôle des paramètres de gravure d’un laser comprend un dispositif 100 pour mesurer la température de surface d’un objet OB, le dispositif 100 étant par exemple tel que décrit précédemment à l’appui des figures 1 et 2.

Le système S comprend aussi au moins un objet OB de géométrie déterminée et par ailleurs réalisé en un matériau déterminé. Dit autrement, la géométrie de l’objet OB est connue et sa nature (matériau) est également connue.

Le système S comprend encore un ordinateur 200 apte à être connecté en sortie du thermomètre infrarouge 30 pour recevoir les données fournies par le thermomètre infrarouge, l’ordinateur comportant un ou plusieurs processeur(s) 201 configurés pour traiter les données susceptibles d’être fournies par le thermomètre infrarouge 30 ainsi qu’une mémoire 202 configurée pour stocker les données susceptibles d’être traitées. Ceci permet, appliqué à un laser 300 quelconque, de déterminer si certains paramètres de gravure sont adaptés. On a noté FL le faisceau laser susceptible d’être émis par le laser 300.

Par ailleurs, la mémoire 202 peut optionnellement stocker des données reliant, pour ledit au moins un objet OB (géométrie identique, matériau identique donc propriétés thermiques identiques), l’évolution de sa température de surface en fonction des paramètres de gravure d’un laser de référence, le ou les processeur(s) 201 étant par ailleurs configuré(s) pour comparer l’évolution de la température de surface dudit objet OB pour des mêmes paramètres de gravure entre le laser 300 et le laser de référence.

On comprend que le laser de référence est un laser avec des paramètres de gravure parfaitement établis et sûrs et que celui-ci est testé préalablement sur l’objet OB dont la géométrie ainsi que la nature (matériau) sont également parfaitement établies et sûres.

Cette comparaison à la référence permet de déterminer, pour le laser 300 quelconque, si ses paramètres de gravure sont adaptés et ce, en fournissant des informations plus précises et/ou complémentaires au cas où aucune comparaison n’est effectuée.

Ainsi, en mettant en œuvre ce système S, pour ce même objet sur un laser quelconque, on peut déterminer si les valeurs des paramètres de gravure de ce laser sont bien celles indiquées par ce laser. Il arrive en effet fréquemment qu’un laser dérive dans le temps ou bien qu’un opérateur non expérimenté effectue, lorsque le laser en question le prévoit, de mauvais réglages. Dans ce cas, toute différence entre l’évolution de la température de surface obtenue pour cet objet sur le laser quelconque (par exemple localisé sur un site industriel quelconque) à tester et la courbe de température de référence enregistrée dans la mémoire est une signature d’une dérive ou d’un mauvais réglage du laser.

Ceci pourra être encore mieux compris dans la suite de la description.

La figure 5 représente un procédé de contrôle des paramètres de gravure d’un laser 300, ledit procédé comportant les étapes suivantes:

a) installer le dispositif 100 selon l’invention de sorte que l’axe de visée AV du thermomètre infrarouge 30 passe par le marquage 12 de la face principale 11 de l’embase 10, ceci permettant de définir une zone de visée ZV du thermomètre infrarouge 30, de forme elliptique autour du marquage 12, sur la face principale 11 de l’embase 10;

b) positionner le laser 300 par rapport au marquage 12 de la face principale 11 de l’embase 10 de sorte que le faisceau laser destiné à être émis par le laser 300 soit dans la zone de visée ZV du thermomètre infrarouge 30 ;

c) installer, sur la face principale 11 de l’embase 10, un objet OB de géométrie déterminée, réalisé en un matériau déterminé et dont l’évolution de la température de surface en fonction des paramètres de gravure du laser 300 est connue;

d) réaliser la gravure laserde l’objet OB avec des paramètres de gravure déterminés, le faisceau laser FL émis par le laser parcourant à cet effet la zone de visée ZV du thermomètre infrarouge 30 et dans le même temps, mesurer l’évolution de la température de surface d’une face F_Pde l’objet OBqui est exposée au faisceau laser;

e) analyser l’évolution de la température de surface de la face F_Pde l’objet OB qui a été exposée au faisceau laser pour contrôler les paramètres de gravure du laser 300.

L’étape e) peut comprendre une étape consistant à comparer l’évolution de la température de surface mesurée à l’étape d) à des données préalablement stockées fournissant l’évolution de la température de surface d’un objet réalisé en un même matériau déterminé et en fonction des mêmes paramètres de gravure que ceux de l’étape d).

A l’issue de l’étape, le procédé permet alors de déterminer si les paramètres de gravure du laser testé sont corrects. Ceci est mieux explicité ultérieurement à l’appui d’un exemple de mise en œuvre.

Optionnellement, on peut au cours de l’étape a), ou après l’étape a) mais avant l’étape d), faire coulisser le support 24 du thermomètre infrarouge 30, d’une distance égale à l’épaisseur e, au droit du marquage, de l’objet OB destiné à être installé ou installé pendant l’étape c). Cela permet ainsi que l’axe de visée AV et ainsi la zone de visée ZV du thermomètre infrarouge 30translate, selon la direction définie par l’axe Z, dite de coulissement, perpendiculaire à la face principale 11 de l’embase 10, sur la face F_Pde l’objet OB destiné à être exposée au faisceau laser.

Optionnellement également, on peut au cours de l’étape a), ou après l’étape a) mais avant l’étape d), ajuster l’angle α. Ceci permet d’adapter l’excentricité de la forme elliptique de la zone de visée ZV du thermomètre infrarouge 30.

Les étapes a) à e) peuvent être répétées pour au moins un autre objet de géométrie déterminée et réalisée en un autre matériau déterminé.

Exemple de mise en œuvre

Le système S employé est tel que décrit précédemment, avec notamment un dispositif 100 tel que décrit précédemment utilisant cependant un thermomètre infrarouge étant en l’occurrence un pyromètre dont les caractéristiques sont données ci-dessous. Le pyromètre 30 est un pyromètre optris® CL LT02 fourni par la société OPTRIS Infrared Measurements. Ce type de pyromètre est apte à fonctionner dans des gammes de température allant typiquement de -50°C à +600°C, fonctionne dans une gamme de longueur d’onde (rayonnement infrarouge détecté) comprise entre 8 microns et 14 microns, avec une résolution de l’ordre de 0,1K. A ce pyromètre a été associée une optique additionnelle de cette même société de type CT LT CF, D:S = 2:1 (champ éloigné = 2,5:1) pour effectuer des mesures rapprochées.

L’objet OB pris en compte est une plaque de longueur L = 240mm, de largeur l = 180mm et d’épaisseur e = 3mm. Cette plaque est réalisée avec une presse à injecter des thermoplastiques de type DK CODIM 450/1600 (force de fermeture de 4500kN) à partir d’un matériau fourni par la société LG Chem, sous la référence ABS XR410 (dernière mise à jour connue à date du 12 janvier 2016).

Le laser 300 employé est un laser pulsé de la société LASER CHEVAL de type LEM SAPHIR (source laser fibrée, Nd:YAG à 1064nm, puissance maximale de 20W, fréquences réglables de 20kHz à 100kHz, focale de 160mm). Il s’agit d’un laser dédié au marquage de pièces. A ce laser est associée une diode de pointage permettant de déterminer où le laser de marquage va marquer.

Avec ces éléments, le procédé selon l’invention a été mis en œuvre.

Tout d’abord, lors de l’étape a), la distance, prise selon l’axe Z’, entre l’embase 10 et le point d’intersection I’₂de l’axe de visée AV2 du pyromètre avec ledit axe Z’ a été fixée à H₂= 32mm. Cette valeur prend donc en compte la géométrie de l’objet OB à graver, en l’occurrence la plaque ABS XR410 d’épaisseur connue de 3mm, comme mentionné précédemment. Par ailleurs, l’angle α a été ajusté à une valeur de 46,95°. Avec ces réglages, on a pu ainsi définir une zone de visée ZV autour du marquage 12 prévu sur la face principale 11 de l’embase 10 avec un grand axe a = 2,257mm (défini selon l’axe X) et un petit axe b = 1,4566mm (défini selon l’axe Y). La zone de visée elliptique est centrée sur le marquage 12.

Puis, au cours de l’étape b), le pointeur laser du laser 300 a été réglé sur le marquage 12 de la face principale 11 de l’embase 10 du dispositif 100.

Pendant l’étape c), la plaque ABS XR410 a été installée sur l’embase 10 du dispositif 100.

Puis, au cours de l’étape d), les paramètres de gravure du laser 300 ont ensuite été définis. Dans le cas d’espèce, la tache focale du laser présente une étendue plus faible que la surface définie par la zone de visée. Le laser 300 a été programmé pour parcourir la zone de visée ZV elliptique, par un hachurage de lignes successives de gravure selon l’axe X. D’un point de vue pratique, le laser considéré parcourt donc une ligne entre les extrémités de la zone de visée puis s’arrête. Une autre ligne, adjacente à la ligne précédente est ensuite gravée dans les limites de la zone de visée, en l’occurrence selon –X lorsque la ligne précédente a été gravée selon +X. Entre deux lignes de gravure parallèles, la distance est de 0,05mm. Ces opérations sont répétées jusqu’à ce que l’ensemble de la zone de visée AV elliptique soit parcourue. A chaque fois, le laser a été réglé à 10% de sa puissance maximale, en émettant une lumière pulsée à une fréquence de 20kHz. Les mesures de la température de la surface exposée de la plaque ont été faites en même temps que la gravure.

Tout ceci a été répété pour plusieurs vitesses de gravure (vitesse de balayage selon l’axe X) du laser 300 sur différentes zones de la plaque, à savoir 100mm/s (V100), 200mm/s (V200), 400mm/s (V400), 800mm/s (V800), 1200mm/s (V1200) et 1600mm/s (V1600). L’intérêt de tester plusieurs vitesses de gravure provient du fait, tous autres paramètres de gravure fixés, de pouvoir contrôler la fluence du faisceau laser sur la plaque, c’est-à-dire une quantité d’énergie déposée par unité de surface. Ainsi, pour les tests réalisés, on a:

Vitesse (mm/s)	Fluence (mJ/mm²)
100	400
200	200
400	100
800	50
1200	33,3
1600	25

L’étape e) concerne enfin l’analyse de l’évolution de la température de surface de la face de la plaque susmentionnée qui a été exposée au faisceau laser, pour contrôler les paramètres de gravure du laser 300.

Les différentes courbes d’évolution de la température de surface de la plaque sont fournies en figure 6.

Cette figure 6 fournit en abscisses, le temps en secondes et en ordonnées, la température en Celsius. Cette température est la température d’élévation de la surface de la plaque sous l’effet de la gravure laser. L’origine des ordonnées est donc définie en ayant soustrait la température de la plaque à température ambiante (une autre représentation aurait pu être choisie).

L’analyse de ces courbes montre que les courbes V100 et V200 présentent chacune un pic local de température P1, P2, respectivement. Un pic local caractérise la présence de fumées en quantité détectable par le pyromètre. Dans ces cas, la fluence, trop élevée, abime la plaque, ce qui génère des fumées formant écran dans l’axe de visée du pyromètre. La génération de fumées est caractéristique de paramètres de gravure inadaptés.

L’analyse de ces courbes montre par ailleurs que toutes les autres courbes, à savoir V400, V800, V1200 et V1600 présentent une évolution de température beaucoup plus lisse. Cela traduit le fait que la fluence du faisceau laser sur la face exposée de la plaque est acceptable.

Pour autant, pour l’ensemble de ces courbes, et donc même pour les courbes V400, V800, V1200 et V1600, il est possible d’obtenir d’autres informations sur l’exactitude des paramètres de gravure. Ainsi, il est possible pour un objet donné (géométrie et matériau définis) de déterminer l’évolution de la température de surface de cet objet avec un laser dont les paramètres de gravure sont connus de manière certaine (référence). En allant sur un site industriel, pour tester les paramètres de gravure d’un laser présent sur ce site, on peut mettre en œuvre les étapes e) décrites précédemment et prévoir, lors de l’étape e) une comparaison de l’évolution de la température de surface mesurée à l’étape d) aux données de référence fournissant l’évolution de la température de surface de ce même objet, notamment réalisé en un même matériau et en fonction des mêmes paramètres de gravure que ceux de l’étape d). On peut ainsi mettre en évidence une éventuelle différence dans ces courbes et en déduire si la courbe obtenue sur site industriel et la courbe de référence ne coïncident pas, que les paramètres de gravure du laser du site industriel ne sont pas les bons. Cela peut concerner, notamment, la fréquence de pulse ou la puissance délivrée par le laser.

Claims

Dispositif (100) de mesure d’une température de surface d’un objet (OB), le dispositif (100) comportant:
- une embase(10) dont une face principale (11), définissant un plan (XY), est munie d’un marquage (12);
- une paroi (20) montée sur ladite embase (10) et dont une face (F) définit un plan (YZ) perpendiculaire à la face principale (11) de l’embase(10);
- un thermomètre infrarouge (30) comportant un axe de visée (AV) et monté sur la paroi (20) de sorte que, dans un plan (P) qui est d’une part à la fois perpendiculaire à ladite face principale (11) de l’embase (10) et à ladite face (F) de la paroi (20) et qui comprend d’autre part ledit axe de visée (AV), l’angle (α) formé entre ledit axe de visée (AV) et la face (F) de la paroi (20) soit agencé pour que ledit axe de visée (AV) passe par le marquage (12) de la face principale (11) de l’embase (10).
Dispositif (100) de mesure d’une température de surface d’un objet (OB), le dispositif (100) comportant:
- une embase(10) dont une face principale (11), définissant un plan (XY), est munie d’un marquage (12);
- une paroi (20) apte à être montée sur ladite embase (10) et dont une face (F) est destinée à définir un plan (YZ) perpendiculaire à la face principale (11) de l’embase(10);
- un thermomètre infrarouge (30) comportant un axe de visée (AV) et apte à être monté sur la paroi (20) de sorte que, dans un plan (P) qui est d’une part à la fois perpendiculaire à ladite face principale (11) de l’embase (10) et à ladite face (F) de la paroi (20) et qui comprend d’autre part ledit axe de visée (AV), l’angle (α) formé entre ledit axe de visée (AV) et la face (F) de la paroi (20) soit apte à être agencé pour que ledit axe de visée (AV) puisse passer par le marquage (12) de la face principale (11) de l’embase (10).
Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (20) est munie de moyens (21, 22, 23) pour faire coulisser un support (24) du thermomètre infrarouge (30) selon une direction (Z, Z’), dite de coulissement, perpendiculaire à la face principale (11) de l’embase (10).
Dispositif (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend une première graduation (PG) pour mesurer une valeur du déplacement par coulissement du support (24) par rapport au reste de la paroi (20).
Dispositif (100) selon l’une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens (21, 22, 23) pour faire coulisser le support (24) du thermomètre infrarouge (30) comprennentau moins deux guides (21, 22) sur lequel le support (24) est monté, chaque guide (21, 22) présentant une direction d’extension principale (Z) perpendiculaire à la face principale (11) de l’embase (10), ainsi qu’un actionneur (23) pour assurer le coulissement du support (24) par rapport aux guides (21, 22).
Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens (13, 14) pour positionner l’objet (OB) sur la face principale (11) de l’embase (10).
Dispositif (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens (13) pour positionner l’objet (OB) sur la face principale (11) de l’embase (10) comportent des orifices (13) réalisés dans l’embase (10) et des plots (14) configurés pour s’insérer dans les orifices (13).
Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le thermomètre infrarouge (30) est monté sur un axe de montage (AM) par une liaison pivot de sorte que l’axe de montage définit un axe de rotation avec lequel ledit angle (α) peut être ajusté.
Dispositif (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend une deuxième graduation (DG) pour mesurer une valeur dudit angle (α).
Dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le thermomètre infrarouge (30) est choisi parmi une caméra infrarouge, un pyromètre, une photodiode ou un ensemble de photodiodes.
Système (S) de contrôle des paramètres de gravure d’un laser (300), ledit système (S) comprenant:
- un dispositif (100) selon l’une des revendications précédentes;
- au moins un objet (OB) de géométrie déterminée et réalisé en un matériau déterminé;
- un ordinateur (200) apte à être connecté en sortie du thermomètre infrarouge (30) pour recevoir des données fournies par le thermomètre infrarouge, l’ordinateur comportant un ou plusieurs processeur(s) (201) configurés pour traiter les données susceptibles d’être fournies par le thermomètre infrarouge (30) ainsi qu’une mémoire (202) apte à stocker les données susceptibles d’être traitées.
Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la mémoire (202) stocke des données reliant, pour ledit au moins un objet (OB), l’évolution de sa température de surface en fonction des paramètres de gravure d’un laser de référence et en ce que le ou les processeur(s) est(sont) configuré(s) pour comparer l’évolution de la température de surface dudit objet (OB) pour des mêmes paramètres de gravure entre le laser (300) et le laser de référence.
Procédé de contrôle des paramètres de gravure d’un laser (300), ledit procédé comportant les étapes suivantes:
a) installer le dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 10 de sorte que l’axe de visée (AV) du thermomètre infrarouge (30) passe par le marquage (12) de la face principale (11) de l’embase (10), ceci permettant de définir une zone de visée (ZV) du thermomètre infrarouge (30), de forme elliptique autour du marquage (12), sur la face principale (11) de l’embase (10);
b) positionner le laser (300) par rapport au marquage (12) de la face principale (11) de l’embase (10) de sorte que le faisceau laser (FL) destiné à être émis par le laser (300) soit dans la zone de visée (ZV) du thermomètre infrarouge (30) ;
c) installer, sur la face principale (11) de l’embase (10), un objet (OB) de géométrie déterminée, réalisé en un matériau déterminé et dont l’évolution de la température de surface en fonction des paramètres de gravure du laser (300) est connue;
d) réaliser la gravure laserde l’objet (OB) avec des paramètres de gravure déterminés, le faisceau laser émis par le laser parcourant à cet effet la zone de visée (ZV) du thermomètre infrarouge (30) et dans le même temps, mesurer l’évolution de la température de surface d’une face (F_P) de l’objet (OB)qui est exposée au faisceau laser (FL);
e) analyser l’évolution de la température de surface de la face (F_P) de l’objet (OB) qui a été exposée au faisceau laser (FL) pour contrôler les paramètres de gravure du laser (300).
Procédé selon la revendication précédente,caractérisé en ce que les étapes a) à e) sont répétées pour au moins un autre objet de géométrie déterminée et réalisée en un autre matériau déterminé.
Procédé selon l’une des revendications 13 ou 14, dans lequel l’étape e) comprend une étape consistant à comparer l’évolution de la température de surface mesurée à l’étape d) à des données préalablement stockées fournissant l’évolution de la température de surface d’un objet réalisé en un même matériau déterminé et en fonction des mêmes paramètres de gravure que ceux de l’étape d).
Procédé selon l’une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que, au cours de l’étape a), ou après l’étape a) mais avant l’étape d), on fait coulisser le support (24), sur lequel le thermomètre infrarouge (30) est monté, d’une distance égale à l’épaisseur (e), au droit du marquage, de l’objet (OB) destiné à être installé ou installé pendant l’étape c), de sorte que l’axe de visée (AV) et ainsi la zone de visée (ZV) du thermomètre infrarouge (30)translate, selon la direction (Z), dite de coulissement, perpendiculaire à la face principale (11) de l’embase (10), sur la face (F_P) de l’objet (OB) destiné à être exposée au faisceau laser.
Procédé selon l’une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que, au cours de l’étape a), ou après l’étape a) mais avant l’étape d), on ajuste ledit angle (α) de sorte à adapter l’excentricité de la forme elliptique de la zone de visée (ZV) du thermomètre infrarouge (30).