FR3118025A3

FR3118025A3 - Procédé de fabrication d’un article creux en verre

Info

Publication number: FR3118025A3
Application number: FR2013574A
Authority: FR
Inventors: Didier DERAEDT; Christophe Desgardin; Eric PIECZYRAK
Original assignee: Arc France SAS
Current assignee: Arc France SAS
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: MX2023007294A; JP2023554073A; US20240042543A1; EP4263448A1; CN116615303A; WO2022129789A1; FR3118025B3

Abstract

Procédé de fabrication d’article creux en verre, comprenant la réception d’un article en verre associé à une calotte à température supérieure à 100°C, la mise en mouvement de l’article en verre selon une direction de convoyage et en rotation sur lui-même autour d’un axe dudit article en verre, le déplacement d’un équipage mobile à distance sensiblement constante dudit article en verre, le repérage d’une position relative de l’équipage mobile par rapport à un bord dudit article en verre, la régulation de la distance entre l’équipage mobile et un bord dudit article en verre au cours de la rotation dudit article en verre et du déplacement conjoint de l’équipage mobile et dudit article en verre, des tirs d’un faisceau laser à partir d’une optique supportée par l’équipage mobile vers ledit bord dudit article en verre pour générer des trous et la séparation de la calotte et de l’article en verre.

Description

Procédé de fabrication d’un article creux en verre

L'invention relève du domaine de la fabrication des récipients en verre pour liquide, et plus particulièrement des articles de gobeleterie.

De manière connue, un article creux en verre ou buvant, notamment une paraison de verre à pied ou un gobelet, sort à chaud d’une machine lui conférant sa forme. L’article en verre présente au-dessus de la concavité une calotte servant à le manipuler. La calotte est retirée par chauffe, étirement, puis coupe par choc thermique. L’article en verre est ensuite réchauffé pour détendre les contraintes résiduelles dans le verre. La qualité du bord de coupe est grossière. La Demanderesse connaît une première alternative consistant à couper le verre à froid par disque diamanté et meule diamantée. Une deuxième alternative est de couper le verre à froid par un faisceau laser CO2 de forte puissance réalisant un tronçonnage du verre. Le tronçonnage laisse des défauts à la surface de coupe, notamment par écaillage. Les défauts sont ôtés par usinage par disque diamanté. Ensuite le buvant est chanfreiné puis rebrûlé avec polissage à la flamme. Dans les deux cas, le résultat est théoriquement exempt de défaut mais la productivité est très faible. La Demanderesse estime que la coupe à chaud ne permet pas d’obtenir la qualité souhaitée du fait de la présence d’un bourrelet de coupe et que la coupe à froid est très difficile à maîtriser car comportant de nombreuses étapes (tronçonnage, flettage, chanfreinage) sources de problèmes de réglage et donc de stabilité de la qualité de la production.

La Demanderesse a cherché à couper la calotte en réduisant la consommation d’énergie, en particulier carbonée, et d’eau, en évitant la production de déchets, tout en assurant une cadence de coupe élevée.

La Demanderesse a mis au point un procédé de fabrication d’article creux en verre, comprenant la réception d’un article en verre associé à une calotte àtempérature supérieure à 100°C, la mise en mouvement de l’article en verre selon une direction de convoyage et en rotation sur lui-même autour d’un axe dudit article en verre, le déplacement d’un équipage mobile à distance sensiblement constante dudit article en verre, le repérage d’une position relative de l’équipage mobile par rapport à un bord dudit article en verre, la régulation de la distance entre l’équipage mobile et un bord dudit article en verre au cours de la rotation dudit article en verre et du déplacement conjoint de l’équipage mobile et dudit article en verre, des tirs d’un faisceau laser à partir d’une optique supportée par l’équipage mobile vers ledit bord dudit article en verre pour générer des trous et la séparation de la calotte et de l’article en verre. Ainsi, une coupe de haute qualité, à chaud, du verre est rendue possible, d’où un gain de place et une réduction de la consommation d’énergie. Le procédé se dispense d’utilisation d’eau et d’outil diamanté onéreux et générateur de poussières.

Dans un mode de réalisation, la température de l’article en verre et de la calotte à réception est supérieure à 250°C, voire 500°C.

Dans un mode de réalisation, une partie inclinable de l’équipage mobile est inclinée de manière que le faisceau laser soit perpendiculaire à la zone dudit article en verre recevant ledit faisceau laser. Des articles en verre de formes variées peuvent être traités, notamment avec des extrémités de paraison inclinées par rapport à l’axe dudit article en verre

Dans un mode de réalisation, les tirs du faisceau laser sont de puissance comprise entre 0,1 et 1 mJ, notamment 0,25 ou 0,5 ou 1 mJ par tir. Pour des articles en verre épais, la puissance par tir peut être augmentée en fonction de la disponibilité de sources laser adaptées. Une puissance élevée permet une coupe de verre plus épais. Une puissance élevée permet une distance élevée entre l’optique laser supportée par l’équipage mobile et l’article en verre, d’où la possibilité de traiter des articles en verre à température élevée.

Dans un mode de réalisation, les tirs du faisceau laser sont de fréquence supérieure à 50 kHz, par exemple 200 kHz.

Dans un mode de réalisation, la longueur d’onde du faisceau laser est de 976, 1015, 1030 ou 1064 nm ; ces longueurs d’onde peuvent être divisées par 2, par 3 ou par 4.

Dans un mode de réalisation, la durée d’impulsion des tirs laser sont d’une durée comprise entre 10^-15et 10^-12s.

Dans un mode de réalisation, chaque tir du faisceau laser comprend au moins une impulsion élémentaire de durée comprise entre 5 et 12 ps

Dans un mode de réalisation, la vitesse de rotation dudit article en verre est supérieure à 50 tours par minute, préférablement 150 tours par minute, plus préférablement 250 tours par minute. Ladite vitesse de rotation est par rapport à un axe central dudit article en verre.

Dans un mode de réalisation, la vitesse de translation dudit article en verre est constante ou variable. La translation dudit article en verre est substantiellement conservée par rapport à la translation d’un article en verre au sein d’une ligne de production à coupe conventionnelle.

Dans un mode de réalisation, l’équipage mobile est déplacé latéralement pour accompagner l’article en verre et, optionnellement, en arrière pour passer au buvant suivant dans une chaîne de production. Le déplacement de l’article en verre est en translation.

Dans un autre mode de réalisation, le buvant est supporté par une tourelle en rotation dans une chaîne de production et l’équipage mobile accompagne ledit buvant puis passe au buvant suivant. Le déplacement de l’article en verre peut être selon un arc de cercle.

Dans un mode de réalisation, une machine de fabrication d’article creux en verre, comprend un organe de convoyage selon une direction de convoyage et en rotation sur lui-même autour d’un axe dudit article en verre associé à une calotte à température supérieure à 100°C, un équipage mobile capable de se déplacer à distance sensiblement constante dudit article en verre, un organe de mesure d’une position relative de l’équipage mobile par rapport à un bord dudit article en verre, un organe de régulation de la distance entre l’équipage mobile et un bord dudit article en verre au cours de la rotation dudit article en verre et du déplacement conjoint de l’équipage mobile et dudit article en verre, et un générateur laser comprenant une optique supportée par l’équipage mobile et capable d’émettre un faisceau laser vers ledit bord dudit article en verre pour générer des trous et un organe pour récupérer la calotte une fois séparée de l’article en verre

Dans un mode de réalisation, le générateur laser comprend une source laser, notamment stationnaire, émettant vers ladite optique.

Dans un mode de réalisation, ladite optique comprend un système de type Bessel.

Dans un mode de réalisation, la source laser est un laser de type YAG ou Excimer.

Dans un mode de réalisation, la machine comprend un actionneur de déplacement de l’équipage mobile en translation parallèlement à la translation dudit article en verre et un actionneur de déplacement de l’équipage mobile en translation perpendiculairement à la translation dudit article en verre, commandé par l’organe de régulation.

Dans un mode de réalisation, l’organe de convoyage comprend une chaîne supportant des fûts déplaçant l’article en translation et en rotation.

Dans un mode de réalisation, l’organe de mesure d’une position relative de l’équipage mobile par rapport à un bord dudit article en verre comprend une caméra matricielle.

Dans un mode de réalisation, l’organe de régulation comprend un axe motorisé commandé en fonction de la sortie de l’organe de mesure

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés en détail dans la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

- est un synoptique du procédé selon un aspect de l’invention, et

- est une vue schématique de la focalisation du faisceau.

Les dessins annexés contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

De manière générale, une coupe par laser CO2 sur des verres à basse température nécessite des étapes de choc thermique, de meulage sous aspersion d’eau, de flettage, de chanfreinage, d’adoucissement à la flamme et de lavage. Le laser CO2 présente une longueur d’onde ne traversant pas le verre. Ce procédé est long, générateur de déchets, consommateur d’énergie et d’eau et nécessite des machines encombrantes.

Parallèlement à ceci, le document US2018/062342 décrit un procédé de traitement par un laser focalisé selon une ligne de longueur L avec une intensité variant de moins de 40% sur la longueur L de la ligne.

Le document US2018/0257710 concerne un procédé de coupe mettant en œuvre deux faisceaux lasers différents.

Le document US2018/0134606 concerne un procédé de coupe laser d’un verre transparent audit laser par génération de plasma au moyen d’impulsions ultracourtes. Le laser est un YAG à 1064 nm. La fréquence de répétition est de 10 à 120 kHz. L’espacement des dommages filamentaires est compris entre 4 et 10.10^-6m. La durée d’impulsion est inférieure à 100 ps. L’énergie d’impulsion est supérieure à 0,2 mJ. La source laser est opérée à une puissance comprise entre 40 et 100 W.

Selon un aspect de l’invention, la machine comprend un organe de mesure de l'ovalisation de l'article. Ledit organe de mesure est disposé du côté amont au sein de la machine. Ledit organe de mesure comprend au moins une cellule photoélectrique, ou une rangée de cellules photoélectriques.

La sortie de la cellule photoélectrique fournissant un encodage de la position est transmis à un automate pilotant un support de la tête optique. L’axe du laser est positionné sur la zone de l'article en verre à traiter.

Les défauts géométriques des articles sont pris en compte pour assurer un traitement du verre en une passe. Le support de la tête optique est asservi à partir d’une position moyenne donnée et corrigé en temps réel. Un système de mesure de l’ovalisation réalise une mesure de distance au passage des articles en rotation et corrige la position du point focal sur toute la périphérie des articles.

On obtient ensuite une séparation franche, propre et nette quand l'épaisseur de l'article n'est pas plus grande que le filament. La longueur du filament est supérieure à 1 mm. Préférablement, l'épaisseur de l'article ne dépasse 1,5 mm diminué des écarts de suivi de plus ou moins 15/100^èmede mm. Selon une variante, un bord arrondi peut être obtenu directement par un laser avec une lentille de type astigmate générant une ligne de fissuration de forme courbe.

La séparation à chaud peut être effectuée avec un brûleur qui engendre une dilatation sur toute la périphérie de l'article, puis assure la dissociation entre paraison et calotte. Sur les articles à chaud sortant de la machine de formage primaire la séparation est très difficile car l'article est parcouru de contraintes issues du contact du verre avec les différents matériaux de formage et notamment par le contact avec les moules. On peut alors utiliser un anneau de flammes qui génère quasi instantanément une contrainte sur tout le buvant de l'article et assure un guide de séparation annulaire. Au moment de la séparation, les contraintes libérées vont éjecter la partie à enlever, garantissant ainsi une qualité de surface de coupe très propre.

Le rebrûlage qui suit la séparation refusionne localement la surface du verre afin de diminuer la rugosité. Le rebrûlage évite la déformation du buvant et la création d'un bourrelet de diamètre supérieur à l’épaisseur tout en garantissant la formation d'un léger rayon en lieu et place des arêtes vives générées précédemment. Le rebrûlage peut être réalisé avec l'aide de bruleur Air/Gaz, Oxygaz, par rayonnement ou par l'utilisation de laser CO2.

Ainsi, l'article pénètre dans la zone de traitement laser à une température élevée, est filamenté avec un pas adapté par réglage de la vitesse de rotation et de la fréquence de tir du laser selon le diamètre et l’épaisseur de verre, puis se produit la séparation de la paraison et de la calotte avec un bruleur circulaire, puis le rebrûlage du bord de la paraison ou buvant de l'article.

Le système de mesure réalise un échantillonnage de mesures de distance au passage de l’article en rotation permettant ainsi de traiter l’ovalisation et de pouvoir au cycle suivant, positionner au mieux le faisceau focal au centre de l’épaisseur du verre sur toute la périphérie de l’article. Pour une coupe de qualité, plusieurs paramètres sont à prendre en compte :

l’alignement du faisceau laser sur tout le chemin optique ;
les vibrations ;
le faisceau annulaire de sortie ;
la mesure d’ovalisation et de suivi de profil ;
l’angle de suivi ;
les paramètres de puissances, pas et de fréquences adaptées aux différents types d’articles.

La source laser est stationnaire pour éviter les chocs. Le faisceau laser issu de la source laser est mené jusqu’à la zone de traitement de l’article par un jeu de miroirs. Les miroirs sont alignés avec précision. Un défaut d’alignement des axes provoquerait un défaut sur l’axe suivant qui le multiplierait également par son déplacement et ainsi de suite jusqu’à la lentille de sortie.

Le faisceau laser à la sortie de la source laser est dévié jusqu’à parvenir à la lentille de sortie par plusieurs miroirs successifs munis chacun d’un contact de sécurité sur l’ouverture de son capot. Le chemin optique est protégé par un jeu de tubes rigides coulissants permettant d’absorber les déplacements des mouvements selon trois axes de translation. L'étanchéité aux poussières des raccords des tubes coulissants est assurée par un soufflet extensible.

La lentille de sortie comprend deux miroirs permettant la rotation du nez de l’optique pour un suivi normal à la surface du galbe de l’article. Le nez est équipé d’un réglage sur deux axes permettant le réglage et l’homogénéité de faisceau annulaire de type Bessel duquel dépend l’uniformité de la répartition de l’énergie laser.

Les variations de positionnement et de forme des articles, notamment une ovalisation, nous obligent à positionner cette ligne et à la recentrer au cœur du verre afin que l’épaisseur de la paroi de l’objet soit correctement traitée.

Pour assurer le traitement correct du verre en une passe, l’axe de translation est asservi à partir d’une position moyenne donnée et est corrigé en temps réel pour s’ajuster aux défauts géométriques de l’article.

Un premier plateau mobile selon l’axe de suivi de la pièce permet d’accompagner les changements de sections au défilé des articles. Le mouvement du plateau mobile est motorisé. La trajectoire du plateau mobile est commandée par l’automate de commande.

Un deuxième plateau mobile selon l’axe d’ovalisation perpendiculaire à l’axe de suivi permet de garder une distance constante entre la paroi de l’article en rotation et la lentille de sortie.

Le temps de traitement d’un article est fonction de la vitesse de rotation de l’article, compris entre 50 et 500 tr/mn. Le traitement est effectué sur un tour. Le raccordement entre le début et la fin de la filamentation est le plus juste possible. Préférablement, l’écart vertical avoisine 0,01 mm et est inférieur à 0,02 mm.

Le rebrûlage peut être réalisé par des brûleurs linéaires oxygaz. Les brûleurs linéaires sont installés en périphérie de la machine. Les brûleurs traitent le buvant, indépendamment de son ovalisation ou de sa variation d’épaisseur, dans des délais très courts.

Le cycle optimum aujourd’hui est :

Chargement

Refroidissement

Mesure du buvant

Filamentation par laser

Séparation

Rebrûlage

Déchargement.

Claims

Procédé de fabrication d’article creux en verre, comprenant la réception d’un article en verre associé à une calotte à température supérieure à 100°C, la mise en mouvement de l’article en verre selon une direction de convoyage et en rotation sur lui-même autour d’un axe dudit article en verre, le déplacement d’un équipage mobile à distance sensiblement constante dudit article en verre, le repérage d’une position relative de l’équipage mobile par rapport à un bord dudit article en verre, la régulation de la distance entre l’équipage mobile et un bord dudit article en verre au cours de la rotation dudit article en verre et du déplacement conjoint de l’équipage mobile et dudit article en verre, des tirs d’un faisceau laser à partir d’une optique supportée par l’équipage mobile vers ledit bord dudit article en verre pour générer des trous et la séparation de la calotte et de l’article en verre.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel une partie inclinable de l’équipage mobile est inclinée de manière que le faisceau laser soit perpendiculaire à la zone dudit article en verre recevant ledit faisceau laser.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les tirs du faisceau laser sont de puissance comprise entre 0,1 et 1 mJ.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les tirs du faisceau laser sont de fréquence supérieure à 50 kHz.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la durée d’impulsion des tirs laser est comprise entre 10^-15et 10^-12s.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la vitesse de rotation dudit article en verre est supérieure à 50, préférablement150, et préférablement 250 tours par minute.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’équipage mobile est déplacé latéralementpour accompagner l’article en verre et pour passer au buvant suivant dans une chaîne de production.
Machine de fabrication d’article creux en verre, comprenant un organe de convoyage selon une direction de convoyage et en rotation sur lui-même autour d’un axe dudit article en verre associé à une calotte à température supérieure à 100°C, un équipage mobile capable de se déplacer à distance sensiblement constante dudit article en verre, un organe de mesure d’une position relative de l’équipage mobile par rapport à un bord dudit article en verre, un organe de régulation de la distance entre l’équipage mobile et un bord dudit article en verre au cours de la rotation dudit article en verre et du déplacement conjoint de l’équipage mobile et dudit article en verre, un générateur laser comprenant une optique supportée par l’équipage mobile et capable d’émettre un faisceau laser vers ledit bord dudit article en verre pour générer des trous et un organe pour récupérer la calotte une fois séparée de l’article en verre.
Machine selon la revendication précédente, dans laquelle le générateur laser comprend une source laser stationnaire émettant vers ladite optique.
Machine selon la revendication précédente, comprenant un actionneur de déplacement de l’équipage mobile en translation parallèlement à la translation dudit article en verre et un actionneur de déplacement de l’équipage mobile en translation perpendiculairement à la translation dudit article en verre, commandé par l’organe de régulation.