WO2023057387A1 - Dispositif de découpe et procédé de découpe par fil chauffant défilant - Google Patents

Dispositif de découpe et procédé de découpe par fil chauffant défilant Download PDF

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WO2023057387A1
WO2023057387A1 PCT/EP2022/077468 EP2022077468W WO2023057387A1 WO 2023057387 A1 WO2023057387 A1 WO 2023057387A1 EP 2022077468 W EP2022077468 W EP 2022077468W WO 2023057387 A1 WO2023057387 A1 WO 2023057387A1
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WO
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wire
cutting
cutting device
zone
drum
Prior art date
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PCT/EP2022/077468
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English (en)
Inventor
Laurent Daniel
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Université de Technologie de Troyes
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/06—Severing by using heat
    • B26F3/08—Severing by using heat with heated members
    • B26F3/12—Severing by using heat with heated members with heated wires
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26D—CUTTING; DETAILS COMMON TO MACHINES FOR PERFORATING, PUNCHING, CUTTING-OUT, STAMPING-OUT OR SEVERING
    • B26D3/00—Cutting work characterised by the nature of the cut made; Apparatus therefor
    • B26D3/006—Cutting work characterised by the nature of the cut made; Apparatus therefor specially adapted for cutting blocs of plastic material

Definitions

  • the invention relates to a cutting device for cutting a material.
  • This device comprises a cutting wire.
  • the materials capable of being cut can be of different natures, in particular organic, plastic, mineral materials, or even ice, glass, or certain metals, etc.
  • this device is designed for cutting wood.
  • the invention also relates to a method for cutting a material with such a cutting device.
  • Electroerosion consists of removing material from a conductive part, eroding it to give it the desired shapes and dimensions using electrical discharges.
  • wire EDM an uncoiling, tensioned metal wire is immersed in water or another insulating liquid (dielectric) with the workpiece.
  • the current sent forms an electric arc which causes a precise and programmed degradation of part of the part.
  • the residues created by wear of the part are evacuated by the water or the dielectric liquid.
  • EDM has many disadvantages. First, only conductive materials can be cut. Second, material removal is slow, while power consumption is high. In addition, rapid erosion of the wire is observed.
  • Water jet cutting solutions are also known. However, when following cutting, the cut material is wet, and it is therefore not possible to continue with a gluing step on a production line, because a wet material cannot be glued.
  • the object of the present invention is to overcome the various drawbacks stated above, by means of a cutting device making it possible to cut different types of materials, conductive or not, using a wire, quickly and cleanly. , with low power consumption, and while offering good cutting capacity.
  • the cutting device for cutting a material comprises, in a conventional manner, a cutting wire having two ends, each end being connected to a winding drum, said wire being stretched, said wire being conductive and under tension electric for heating.
  • This cutting device is mainly characterized in that said wire is scrolling at the time of cutting, with a winding around a first drum simultaneously with an unwinding of a second drum, said device having a dry cutting zone in which there is a section of scrolling wire capable of cutting the material coming into contact with it, the two drums being driven in rotation by two different motors.
  • the cut is preferably made in the open air, without specific conditions of temperature, humidity, or other.
  • the main idea of this invention consists in cutting material by means of a heating and unrolling wire.
  • the wire is therefore no longer static as in some prior arts.
  • the wire itself that cuts the material when it comes into contact with it. It is therefore no longer a matter of cutting via an electric arc which degrades the material, as in other prior arts.
  • the wire slices the material by thermal effect either by melting it, or by pyrolyzing it.
  • This technique saves energy, since there is no arc to be supplied.
  • the cutting according to the invention is simple to implement, requires a low cutting force, is silent, and does not generate dust.
  • the wire is initially wrapped around a first drum, then unwinds when the device is switched on, and simultaneously wraps around a second drum. During this time, the wire cuts one or more parts, at the level of a cutting zone defined in the device.
  • the part to be cut there is a relative movement between the part to be cut and the device. Either the device is mobile while the part to be cut is stationary, or the part is mobile while the device is stationary.
  • This cutting device makes it possible to cut parts of all thicknesses.
  • This device offers a good cutting precision, of the order of 0.1mm. This accuracy may vary slightly depending on the thickness chosen for the wire.
  • both motors perform this function. Specifically, the motors allow the drums to rotate independently of each other. Thus, when the wire creeps, and therefore elongates, it is possible to rotate one drum more quickly than the other to compensate for this creep phenomenon and wind more wire length.
  • the invention also relates to a method for cutting a material with a cutting device as described previously. This process comprises the following steps:
  • the running speed of the thread is adjustable. This speed is therefore variable.
  • the electrical voltage applied to the wire is adjustable.
  • This voltage is therefore variable. This makes it possible to have a wire temperature range between 0°C and 1000°C. This also makes it possible to adjust and control the wire temperature.
  • FIGS. 1 and 2 there is a simplified schematic view of a first configuration of the cutting device according to FIGS. 1 and 2;
  • the cutting device comprises a frame 9 on which the different main elements of the cutting device are implemented. Given its consequent external dimension, the cutting device here is fixed, and the piece to be cut will move relative to the cutting device.
  • the cutting device as illustrated in therefore has a frame 9 with legs 12 so that it rests on the ground in a stable manner.
  • a cutting wire 3 runs through this frame 9 at different points, from a rear rear part of the frame 9 where there are two drums 1a, 1b for winding the wire, to a front part AV where there is a cutting zone 2.
  • this frame 9 could be arranged differently, for example by extending in width rather than in depth, with a first drum in the front part on the right side of the cutting zone 2 and a second drum in part front on the left side of the cutout zone 2. It is therefore possible to envisage several orientations and several types of arrangement of frame 9 within the scope of the present invention.
  • Wire 3 has a predefined length. For example, it can be 400 meters long.
  • Wire 3 has a substantial winding length. It is wrapped around one of the two drums 1a, 1b during its initial installation.
  • Each drum 1a, 1b is driven in rotation by a motor 4.
  • Thread 3 is attached to drums 1a, 1b in such a way that while thread 3 unwinds from the first drum 1a, it simultaneously winds around the second drum 1b. And conversely, when the thread 3 wraps around the first drum 1a, it simultaneously unwinds from the second drum 1b.
  • the two drums 1a, 1b are rotated by two different motors 4.
  • the two drums 1a, 1b are located side by side. It should be noted that the two drums 1a, 1b must be separated and insulated from each other, for example by an insulating spacer, because each drum 1a, 1b is at a different electric potential.
  • the drums 1a, 1b are located at a distance from each other, and driven by two different motors.
  • a first drum 1a is driven in rotation so as to unwind the wire 3, and the wire 3 then travels the entire length of the frame 9 until it reaches the level of the cutting zone 2 at the front AV, then again travels the entire length of the chassis 9 to return to the rear rear part to wrap in the opposite direction around the second drum 1b.
  • This configuration is illustrated for example in .
  • the drums 1a, 1b are also driven in the same direction, and the yarn 3 is wound in the opposite direction around each of the drums 1a, 1b.
  • Thread 3 is permanently taut. Indeed, the wire 3 must be stretched in particular at the level of the cutting zone 2 in order to be able to make a clean cut in the material to be cut.
  • the motors 4 are slaved by means of a control-command device 18 so as to rotate the drums 1a, 1b more or less to maintain a constant tension of the yarn 3.
  • the wire 3 Before arriving in the cutting zone 2, the wire 3 passes through various pulleys 6, 12, 13, which make it possible to correctly orient the wire 3 until it arrives in the cutting zone 2.
  • the arrangement of these different pulleys is symmetrical on either side of the cutting zone 2, since the direction of travel of the wire 3 is reversible.
  • the wire 3 is electrically energized by friction against two brushes 14a, 14b, each brush 14a, 14b being connected to a different electrical potential.
  • the first potential is at 0 V
  • the other potential is at 24 V.
  • a voltage of 24 V is thus applied to wire 3 between these two brushes 14a, 14b.
  • These two brushes 14a, 14b thus correspond to two electrical terminals.
  • the brushes 14a, 14b are arranged on either side of the cutting zone 2.
  • the wire begins to heat up when the first brush passes, and stops heating when the second brush passes.
  • the wire reaches its maximum temperature when the second brush passes, therefore at the exit from the cutting zone.
  • these brushes could be arranged just upstream of the cutting zone 2.
  • the wire heats up between the two brushes upstream, and reaches its maximum temperature when the second brush passes, therefore at the entrance to the cutting zone.
  • wire 3 is hot when cutting.
  • the brushes 14a, 14b also called “carbon brushes”, are preferably designed based on graphite, or carbon, or any other conductive material capable of withstanding friction at high temperature.
  • Brushes 14a, 14b are cylindrical in shape and have a central axis corresponding to their direction of extension.
  • Each brush 14a, 14b has a contact surface with the wire 3 oriented perpendicular to their central axis.
  • the amount of energy supplied to wire 3 can be varied, and thus the temperature of wire 3 can be varied.
  • the cutting zone 2 is delimited between these two brushes 14a, 14b, and the section of wire 3 running between these two brushes 14a, 14b is used for cutting by being brought into contact with the material to be cut.
  • the fact that the wire 3 is stretched, heated, and scrolling allows easy cutting of the material.
  • the brushes 14a, 14b are rotatable along their central axis.
  • Each brush 14a, 14b has a motor 16a, 16b to rotate it.
  • the brushes 14a, 14b are movable in translation along their central axis to compensate for the wear of the contact face, and in order to ensure contact between the wire 3 and the contact face. For example, this axial movement can be ensured by a spring arranged at the base of each brush 14a, 14b.
  • guide beads 17 are provided on either side of the cutout zone 2. These beads 17 are preferably made of ceramic in order to be electrically insulating. and be heat resistant.
  • the width of the cutting zone 2 is adjustable, in particular according to the size of the parts to be cut.
  • these pulleys 13a, 13b are designed with a ceramic bearing providing galvanic isolation, so that each pulley is electrically isolated.
  • the pulleys 13a, 13b are designed in a conductive material, and are connected to a different electric potential.
  • the first potential is at 0 V
  • the other potential is at 24 V.
  • a voltage of 24 V is thus applied to wire 3 between these two pulleys 13a, 13b.
  • These two pulleys 13a, 13b thus correspond to two electrical terminals.
  • the pulleys 13a, 13b are arranged on either side of the cutting zone 2.
  • the wire begins to heat up when the first pulley passes, and stops heating when the second pulley passes.
  • the wire 3 reaches its maximum temperature on passing the second pulley, therefore at the exit from the cutting zone.
  • the pulleys which send an electric current to the wire 3 could be placed just upstream of the cutting zone 2, instead of being placed on either side of the cutting zone 2.
  • the wire 3 heats up between the two pulleys 13b and 13d upstream of the cutting zone 2 when the wire 3 runs from right to left on the diagram, and reaches its maximum temperature on passing the second pulley 13d, therefore at the entrance of the cutting zone 2.
  • the pulleys 13c and 13a downstream of the cutting zone 2 are not powered.
  • the wire 3 heats up between the two pulleys 13a and 13c upstream of the cutting zone 2 when the wire 3 scrolls from left to right in the diagram, and reaches its maximum temperature on passing the second pulley 13c, therefore in entrance to the cutting zone 2.
  • the pulleys 13d and 13b downstream of the cutting zone 2 are not powered.
  • wire 3 is hot when cutting.
  • the cutting device comprises means for dissipating the heat of the heat accumulated by these elements.
  • these heat dissipation means consist of fans 15a, 15b which make it possible to bring fresh air to these elements.
  • These heat dissipation means can also consist of a compressed air system.
  • the wire 3 passes through other pulleys, which make it possible to change the orientation of the wire 3 as desired, so as to position it perfectly at the level of the cutting zone 2 .
  • the mechanical tensioning of the wire 3 is carried out by the two motors 4. Indeed, having a motor 4 specific to each drum 1a, 1b makes it possible to rotate the drums 1a, 1b independently of each other, and with different speeds of rotation, in particular to be able to wind more length of wire 3 after a phenomenon of creep of wire 3 which appears following the heating of wire 3. These motors 4 thus make it possible to compensate for the elongation of wire 3.
  • the motors 4 are controlled so as to keep the wire 3 under tension.
  • a control-command system detects the absence of voltage, for example a torque measurement at 0Nm, and stops motors 4.
  • wire guide pulleys 5a, 5b are fixed to at least one carriage 7 sliding on a strip 8 fixed to the frame in the vicinity of the drums 1a, 1b.
  • Each carriage 7 moves perpendicular to the direction of the wire 3, and parallel to the axis of rotation of the drums 1a, 1b.
  • the temperature range of wire 3 depends on the material to be cut.
  • the temperature of wire 3 must remain higher than the melting temperature of the material to be cut, if it is a cutting by melting, or higher than the pyrolysis temperature, if it is a cutting by pyrolysis.
  • the wire 3 must be heated beyond the pyrolysis temperature of the wood, which is around 300°C.
  • a 3 stainless steel wire heated above the melting temperature of aluminum is used, i.e. around 600°C.
  • tungsten wire 3 To cut a mineral material, a tungsten wire 3 will be preferred. The cut must be done in a neutral or non-oxidizing atmosphere because tungsten oxidizes above 800°C.
  • stainless steel wire 3 is preferred.
  • Wire 3 is a consumable, low cost, and reusable a number of times.
  • the wire 3 can be relatively long, for example of the order of 1.5 km, so that it has time to cool on the drum once it has passed the cutting zone 2, and before the direction of the wire 3 is reversed. when the first drum 1a is completely unwound. Having a very long wire also makes it possible to extend the time of use of the wire, before it breaks.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Forests & Forestry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Perforating, Stamping-Out Or Severing By Means Other Than Cutting (AREA)

Abstract

L'invention propose un dispositif de découpe pour découper un matériau, comprenant un fil (3) de découpe présentant deux extrémités, chaque extrémité étant reliée à un tambour (1a, 1b) d'enroulement, ledit fil (3) étant tendu, ledit fil (3) étant conducteur et mis sous tension électrique pour chauffer. Ce dispositif de découpe se caractérise en ce que ledit fil (3) est défilant au moment de la découpe, avec un enroulement autour d'un premier tambour (1a) simultanément à un déroulement d'un second tambour (1b), ledit dispositif présentant une zone de découpe (2) à sec dans laquelle se trouve un tronçon de fil (3) défilant apte à découper la matière venant à son contact, les deux tambours (1a, 1b) étant entraînés en rotation par deux moteurs (4) différents. Figure pour l'abrégé : Figure 1

Description

Dispositif de découpe et procédé de découpe par fil chauffant défilant Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un dispositif de découpe pour découper un matériau.
Ce dispositif comprend un fil de découpe.
Les matériaux aptes à être découpés peuvent être de différentes natures, en particulier des matériaux organiques, plastiques, minéraux, ou encore de la glace, du verre, ou certains métaux, etc.
De préférence, ce dispositif est conçu pour la découpe de bois.
Il permet une découpe tridimensionnelle.
L’invention concerne également un procédé de découpe d’un matériau avec un tel dispositif de découpe.
Arrière-plan technique
Il existe des solutions de découpage avec un fil chauffé statique et tendu. Ces solutions présentent une faible puissance de découpage effective, et sont utilisées depuis des décennies pour découper du polystyrène expansé ou extrudé, ou des mousses plastiques diverses.
Pour obtenir une bonne efficacité de découpage des métaux, des solutions de découpage avec des systèmes classiques d’électroérosion sont utilisées.
L’électroérosion, consiste à enlever de la matière à une pièce conductrice, à l’éroder pour lui donner les formes et les dimensions voulues à l’aide de décharges électriques. Dans le cadre de l’électroérosion à fil, un fil métallique déroulant et en tension est immergé dans de l’eau ou dans un autre liquide isolant (diélectrique) avec la pièce à travailler. Le courant envoyé forme un arc électrique qui engendre une dégradation précise et programmée d’une partie de la pièce. Les résidus créés par usure de la pièce, sont évacués par l’eau ou le liquide diélectrique.
L’électroérosion présente de nombreux inconvénients. Tout d’abord, seuls les matériaux conducteurs peuvent être découpés. Ensuite, l’enlèvement de la matière est lent, tandis que la consommation électrique est élevée. De plus, on constate une érosion rapide du fil.
On connaît également les solutions de découpe au jet d’eau. Or lorsque suite à la découpe, le matériau découpé est mouillé, et il n’est donc pas possible d’enchaîner avec une étape de collage sur une ligne de fabrication, car un matériau mouillé ne peut pas être encollé.
La présente invention a pour objectif de pallier les différents inconvénients énoncés ci-dessus, au moyen d’un dispositif de découpe permettant de découper différents types de matériaux, conducteurs ou non, à l’aide d’un fil, de façon rapide et propre, avec une faible consommation électrique, et tout en offrant une bonne capacité de découpage.
Le dispositif de découpe pour découper un matériau selon l’invention comporte, de façon classique, un fil de découpe présentant deux extrémités, chaque extrémité étant reliée à un tambour d’enroulement, ledit fil étant tendu, ledit fil étant conducteur et mis sous tension électrique pour chauffer.
Ce dispositif de découpe se caractérise à titre principal en ce que ledit fil est défilant au moment de la découpe, avec un enroulement autour d’un premier tambour simultanément à un déroulement d’un second tambour, ledit dispositif présentant une zone de découpe à sec dans laquelle se trouve un tronçon de fil défilant apte à découper la matière venant à son contact, les deux tambours étant entraînés en rotation par deux moteurs différents.
Il n’y a pas d’immersion. Il n’y a pas d’eau ou de liquide isolant. La découpe est opérée à sec.
La découpe est réalisée de préférence à l’air libre, sans conditions spécifiques de température, d’humidité, ou autre.
L’idée principale de cette invention consiste à découper de la matière au moyen d’un fil chauffant et déroulant.
Le fil n’est donc plus statique comme dans certains arts antérieurs.
Et c’est bien le fil en lui-même qui vient découper la matière lorsqu’il est à son contact. Il ne s’agit donc plus d’une découpe via un arc électrique qui dégrade le matériau, comme dans d’autres arts antérieurs. Dans le cas de la présente invention, le fil tranche la matière par effet thermique soit en la fondant, soit en la pyrolysant.
Cette technique permet des économies d’énergie, puisqu’il n’y a pas d’arc à fournir.
La découpe selon l’invention est simple de mise en œuvre, nécessite un faible effort de coupe, est silencieuse, ne génère pas de poussières.
Le fil est initialement enroulé autour d’un premier tambour, puis se déroule lors de l’allumage du dispositif, et s’enroule simultanément autour d’un second tambour. Pendant ce temps, le fil découpe une ou plusieurs pièces, au niveau d’une zone de découpe définie dans le dispositif.
Pour découper la pièce selon un certain trajet en fonction de la profondeur de découpe, de la longueur de découpe, et de la forme finale souhaitée, il y a un déplacement relatif entre la pièce à découper et le dispositif. Soit le dispositif est mobile tandis que la pièce à découper est fixe, soit la pièce est mobile tandis que le dispositif est fixe.
Ce dispositif de découpe permet de découper des pièces de toutes épaisseurs.
Ce dispositif offre une belle précision de découpe, de l’ordre de 0,1mm. Cette précision peut varier légèrement en fonction de l’épaisseur choisie pour le fil.
Lorsque le fil est défilant et chauffe au moment de la découpe, on constate un fluage du fil très important. Il est donc nécessaire de compenser ce phénomène de fluage grâce à des moyens mécaniques permettant de tendre le fil en toutes circonstances.
En l’occurrence, les deux moteurs remplissent cette fonction. Plus précisément, les moteurs permettent de faire tourner les tambours indépendamment l’un de l’autre. Ainsi, lorsque le fil flue, donc s’allonge, il est possible de faire tourner un tambour plus rapidement que l’autre pour compenser ce phénomène de fluage et enrouler plus de longueur de fil.
Selon les différents modes de réalisation de l’invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément :
  • le dispositif de découpe comporte des moyens de mise sous tension électrique du fil entre deux pièces reliées à deux potentiels différents, par contact avec les deux pièces  : cela permet de mettre le fil sous tension dans une zone précise, entre ces deux pièces, tout en lui permettant d’être défilant. Lorsque le fil chauffe, il est capable de découper des matériaux plus facilement. Le chauffage à appliquer sur le fil dépend de la matière à découper.
  • Les deux pièces sont situées de part et d’autre de la zone de découpe. Le fil chauffant de plus en plus d’une pièce à l’autre, il atteint sa température maximale en fin de zone de découpe.
  • Les deux pièces sont situées en amont de la zone de découpe. Le fil chauffant de plus en plus d’une pièce à l’autre, il atteint sa température maximale en début de zone de découpe, puis refroidit peu à peu.
  • Les deux pièces ayant des potentiels différents sont des poulies sur lesquelles circule le fil.
  • Les deux pièces ayant des potentiels différents sont des balais sur lesquels frotte le fil.
  • la température du fil sous tension électrique est comprise entre 0°C et 1000°C. Cette température sera choisie notamment en fonction de la résistance mécanique ultime à haute température du matériau utilisé pour le fil.
  • chaque balai présente une face de contact sur laquelle frotte le fil en défilant : la tension est donc définie entre ces deux balais.
  • chaque balai est rotatif selon un axe de rotation, les faces de contact étant orthogonales aux axes de rotation X respectifs : cela a pour effet de répartir l’usure sur toute la surface de chaque face de contact, et d’éviter la formation d’une rainure d’usure sur la face de contact.
  • le dispositif de découpe comporte des moyens de dissipation thermique de la chaleur accumulée par le fil et les éléments du dispositif en contact avec le fil chaud.
  • en effet, le fil est monté en température au niveau de la zone de découpe, et arrive chaud sur les poulies et les charbons en aval de la zone de découpe, et ces derniers ont donc tendance à surchauffer. Il faut donc pouvoir les refroidir pour éviter qu’ils ne s’altèrent.
  • lesdits moyens de dissipation thermique consistent en des ventilateurs refroidissant lesdits éléments en sortie de la zone de découpe.
  • lesdits moyens de dissipation thermique consistent en un jet d’air comprimé.
  • le sens de déroulement du fil est réversible : à tout moment, il est possible de changer le sens de déroulement du fil, en inversant le sens de rotation des moteurs.
  • le dispositif de découpe comporte un châssis sur lequel sont fixés les tambours d’enroulement, le fil effectuant un parcours d’un tambour à l’autre le long du châssis.
L’invention concerne également un procédé de découpe d’un matériau avec un dispositif de découpe tel que décrit précédemment. Ce procédé comporte les étapes suivantes :
- mise en rotation des tambours pour faire défiler le fil dans une zone de découpe;
- mise sous tension électrique du fil au voisinage de la zone de découpe ;
- mise en contact du matériau contre le fil au niveau de la zone de découpe selon une orientation et un trajet de découpe.
De préférence, la vitesse de défilement du fil est réglable. Cette vitesse est donc variable.
De préférence, la tension électrique appliquée sur le fil est réglable. Cette tension est donc variable. Cela permet d’avoir une plage de température du fil comprise entre 0°C et 1000°C. Cela permet également de régler et d’asservir la température du fil.
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 dans lesquels :
la est une vue générale en perspective du dispositif de découpe selon l’invention;
la est une vue en perspective de la zone de découpe du dispositif de découpe de la  ;
la est une vue schématique simplifiée d’une première configuration du dispositif de découpe selon les figures 1 et 2 ;
la est une vue schématique simplifiée d’une seconde configuration du dispositif de découpe ;
la est une vue schématique simplifiée d’une troisième configuration du dispositif de découpe.
 Description détaillée de l'invention
Dans la suite de la description, des éléments présentant une structure identique ou des fonctions analogues seront désignés par des mêmes références.
La illustre une première configuration possible d’un dispositif de découpe selon l’invention.
Le dispositif de découpe comporte un châssis 9 sur lequel sont implémentés les différents éléments principaux du dispositif de découpe. Vu sa dimension externe conséquente, le dispositif de découpe ici est fixe, et la pièce à découper va se déplacer relativement au dispositif de découpe.
Il serait tout à fait envisageable de prévoir un dispositif de découpe plus petit et simplifié, comme en par exemple, qui soit donc nettement plus maniable et qui puisse être déplacé par rapport à une pièce à découper 20 qui serait fixe. Les deux variantes rentrent ainsi dans le cadre de la présente invention.
Le dispositif de découpe tel qu’illustré en présente donc un châssis 9 doté de piètements 12 afin qu’il repose au sol de manière stable.
Un fil 3 de découpe parcourt ce châssis 9 en différents points, depuis une partie arrière AR du châssis 9 où se trouvent deux tambours 1a, 1b d’enroulement du fil, vers une partie avant AV où se trouve une zone de découpe 2.
Il est à noter que ce châssis 9 pourrait être agencé différemment, par exemple en s’étendant en largeur plutôt qu’en profondeur, avec un premier tambour en partie avant sur le côté droit de la zone de découpe 2 et un second tambour en partie avant sur le côté gauche de la zone de découpe 2. Il est donc possible d’envisager plusieurs orientations et plusieurs types d’agencement de châssis 9 dans le cadre de la présente invention.
Le fil 3 présente une longueur prédéfinie. Par exemple, il peut faire 400 mètres de long.
Il présente une première extrémité fixée à un premier tambour 1a, et une seconde extrémité fixée à un second tambour 1b. Entre les deux tambours 1a, 1b, le fil 3 suit un certain trajet le long du châssis 9.
Le fil 3 présente une longueur d’enroulement conséquente. Il est enroulé autour de l’un des deux tambours 1a, 1b lors de sa mise en place initiale.
Chaque tambour 1a, 1b est entraîné en rotation par un moteur 4.
Le fil 3 est fixé aux tambours 1a, 1b de manière à ce que, pendant que le fil 3 se déroule du premier tambour 1a, il s’enroule simultanément autour du second tambour 1b. Et inversement, lorsque le fil 3 s’enroule autour du premier tambour 1a, il se déroule simultanément du second tambour 1b.
Les deux tambours 1a, 1b sont entraînés en rotation par deux moteurs 4 différents.
Sur la , les deux tambours 1a, 1b sont situés côte à côte. Il est à noter que les deux tambours 1a, 1b doivent être séparés et isolés l’un de l’autre, par exemple par un intercalaire isolant, car chaque tambour 1a, 1b se trouve à un potentiel électrique différent.
Sur la par exemple, les tambours 1a, 1b sont situés à distance l’un de l’autre, et entraînés par deux moteurs différents.
Lorsque le dispositif de découpe se met à fonctionner, un premier tambour 1a est entraîné en rotation de manière à dérouler le fil 3, et le fil 3 parcourt alors toute la longueur du châssis 9 jusqu’à arriver au niveau de la zone de découpe 2 à l’avant AV, puis parcourt à nouveau toute la longueur du châssis 9 pour revenir en partie arrière AR s’enrouler dans le sens inverse autour du second tambour 1b. Cette configuration est illustrée par exemple en .
Dans la configuration de la , les tambours 1a, 1b sont aussi entrainés dans le même sens, et le fil 3 est enroulé en sens opposé autour de chacun des tambours 1a, 1b.
Une fois que le premier tambour 1a est totalement déroulé, il suffit d’actionner les moteurs 4 en sens inverse afin que le fil 3 se déroule du second tambour 1b et s’enroule alors autour du premier tambour 1a.
Il serait également possible de prévoir deux tambours entraînés en rotation dans des sens inverses, avec un fil enroulé dans le même sens autour de chaque tambour. Le résultat serait identique. Toutes ces configurations rentrent dans le cadre de la présente invention.
Le fil 3 est tendu en permanence. En effet, le fil 3 doit être tendu notamment au niveau de la zone de découpe 2 afin de pouvoir réaliser une découpe propre dans le matériau à découper. Pour cela, les moteurs 4 sont asservis grâce à un dispositif de contrôle-commande 18 de façon à faire tourner plus ou moins les tambours 1a, 1b pour conserver une tension constante du fil 3.
Avant d’arriver dans la zone de découpe 2, le fil 3 passe par différentes poulies 6, 12, 13, qui permettent d’orienter correctement le fil 3 jusqu’à son arrivée dans la zone de découpe 2. L’agencement de ces différentes poulies est symétrique de part et d’autre de la zone de découpe 2, puisque le sens de défilement du fil 3 est réversible.
La zone de découpe 2 va à présent être décrite conformément aux figures 2 et 4.
Dans cette zone de découpe 2, le fil 3 est mis sous tension électrique par frottement contre deux balais 14a, 14b, chaque balai 14a, 14b étant relié à un potentiel électrique différent. Par exemple le premier potentiel est à 0 V, et l’autre potentiel est à 24 V. On applique ainsi une tension de 24 V au fil 3 entre ces deux balais 14a, 14b. Ces deux balais 14a, 14b correspondent ainsi à deux bornes électriques.
Dans cet exemple, les balais 14a, 14b sont disposés de part et d’autre de la zone de découpe 2. Ainsi le fil commence à chauffer au passage du premier balai, et s’arrête de chauffer au passage du second balai. Ainsi le fil atteint sa température maximale au passage du second balai, donc en sortie de la zone de découpe.
Cependant, ces balais pourraient être disposés juste en amont de la zone de découpe 2. Ainsi le fil chauffe entre les deux balais en amont, et atteint sa température maximale au passage du second balai, donc en entrée de la zone de découpe.
L’essentiel étant que le fil 3 soit chaud au moment de la découpe.
Les balais 14a, 14b, encore appelés « charbons », sont conçus de préférence à base de graphite, ou de carbone, ou tout autre matériau conducteur apte à supporter les frottements à haute température.
Les balais 14a, 14b sont d’allure cylindrique et présentent un axe central correspondant à leur direction d’extension.
Chaque balai 14a, 14b présente une face de contact avec le fil 3 orienté perpendiculairement à leur axe central.
Le fil 3 frotte ainsi sur cette face de contact de chaque balai 14a, 14b.
Ce double frottement permet de transmettre la tension électrique au fil 3 entre ces deux balais 14a, 14b. Le fil 3 chauffe dans cette zone de découpe par effet joule.
En jouant sur la tension électrique appliquée au fil 3, on peut faire varier la quantité d’énergie apportée au fil 3, et ainsi faire varier la température du fil 3.
En jouant sur la vitesse de défilement du fil 3, on peut également faire varier la quantité d’énergie transmissible au matériau à découper.
Ainsi, la zone de découpe 2 est délimitée entre ces deux balais 14a, 14b, et le tronçon de fil 3 défilant entre ces deux balais 14a, 14b est utilisé pour la découpe en étant mis au contact de la matière à découper. Le fait que le fil 3 soit tendu, chauffé, et défilant permet une découpe aisée du matériau.
De façon avantageuse, les balais 14a, 14b sont rotatifs selon leur axe central. Chaque balai 14a, 14b est doté d’un moteur 16a, 16b pour le faire tourner.
Grâce à cette rotation, le frottement du fil 3 sur la face de contact s’effectue sur la globalité de la superficie de la face de contact, et pas seulement sur une même zone, afin d’éviter de créer une crevasse d’usure sur la face de contact.
Les balais 14a, 14b sont déplaçables en translation selon leur axe central pour compenser l’usure de la face de contact, et afin d’assurer le contact entre le fil 3 et la face de contact. Par exemple, ce déplacement axial peut être assuré par un ressort disposé à la base de chaque balais 14a, 14b.
Afin de guider au mieux le fil 3 dans la zone de découpe 2, des perles 17 de guidage sont prévues de part et d’autre de la zone de découpe 2. Ces perles 17 sont de préférence conçues en céramique afin d’être isolantes électriquement et d’être résistantes à la chaleur.
Ces perles 17 sont prévues dans des pièces support 19a, 19b reliées au châssis 9.
La largeur de la zone de découpe 2 est réglable, notamment en fonction de l’envergure des pièces à découper.
De part et d’autre de la zone de découpe 2, adjacent à chaque balai 14a, 14b, se trouve une poulie 13a, 13b permettant de changer l’orientation du fil 3 depuis l’arrière AR du châssis 9 vers la zone de découpe 2.
Dans le cas illustré, ces poulies 13a, 13b sont conçues avec un roulement en céramique procurant une isolation galvanique, afin que chaque poulie soit isolée électriquement.
Une autre configuration est illustrée en , qui reprend toute la description ci-dessous, hormis ce qui concerne les balais. En l’espèce il n’y a pas de balais tournants.
Les poulies 13a, 13b sont conçues dans un matériau conducteur, et sont reliées à un potentiel électrique différent. Par exemple le premier potentiel est à 0 V, et l’autre potentiel est à 24 V. On applique ainsi une tension de 24 V au fil 3 entre ces deux poulies 13a, 13b. Ces deux poulies 13a, 13b correspondent ainsi à deux bornes électriques. Les poulies 13a, 13b sont disposées de part et d’autre de la zone de découpe 2. Ainsi le fil commence à chauffer au passage de la première poulie, et s’arrête de chauffer au passage de la seconde poulie. Ainsi le fil 3 atteint sa température maximale au passage de la seconde poulie, donc en sortie de la zone de découpe.
Cependant, dans une autre configuration illustrée en , les poulies qui envoient un courant électrique au fil 3 pourraient être disposées juste en amont de la zone de découpe 2, au lieu d’être disposées de part et d’autre de la zone de découpe 2.
Ainsi le fil 3 chauffe entre les deux poulies 13b et 13d en amont de la zone de découpe 2 lorsque le fil 3 défile de droite à gauche sur le schéma, et atteint sa température maximale au passage de la seconde poulie 13d, donc en entrée de la zone de découpe 2. Les poulies 13c et 13a en aval de la zone de découpe 2 ne sont pas alimentées.
Et inversement, le fil 3 chauffe entre les deux poulies 13a et 13c en amont de la zone de découpe 2 lorsque le fil 3 défile de gauche à droite sur le schéma, et atteint sa température maximale au passage de la seconde poulie 13c, donc en entrée de la zone de découpe 2. Les poulies 13d et 13b en aval de la zone de découpe 2 ne sont pas alimentées.
L’essentiel étant que le fil 3 soit chaud au moment de la découpe.
Quelle que soit la configuration choisie, tous les éléments situés dans la zone de découpe 2 et plus généralement au voisinage de la zone de découpe 2 ont tendance à surchauffer par le passage du fil 3 chaud sur eux. En effet, le fil transmet ses calories aux éléments avec lesquels il entre en contact. Il s’agit des poulies 13, des perles 17, ou encore des balais 14.
Afin d’éviter l’altération de ces différents éléments, le dispositif de découpe comporte des moyens de dissipation thermique de la chaleur accumulée par ces éléments. De préférence, ces moyens de dissipation thermique consistent en des ventilateurs 15a, 15b qui permettent d’amener de l’air frais sur ces éléments. Dans le cas présent, il existe un ventilateur 15a, 15b disposé de chaque côté de la zone de découpe 2. Ces ventilateurs 15a, 15b sont illustrés par les deux blocs sur la .
Ces moyens de dissipation thermique peuvent également consister en un système à air comprimé.
Tout autre système de dissipation thermique est envisageable dans le cadre de la présente invention.
Entre les poulies 13a, 13b et les tambours 1a, 1b, le fil 3 passe par d’autres poulies, qui permettent de changer l’orientation du fil 3 à souhait, de façon à le positionner parfaitement au niveau de la zone de découpe 2.
La mise sous tension mécanique du fil 3 est réalisée par les deux moteurs 4. En effet, avoir un moteur 4 propre à chaque tambour 1a, 1b permet de faire tourner les tambours 1a, 1b indépendamment l’un de l’autre, et avec des vitesses de rotation différentes, notamment pour pouvoir enrouler plus de longueur de fil 3 après un phénomène de fluage de fil 3 qui apparaît suite à la chauffe du fil 3. Ces moteurs 4 permettent ainsi de compenser l’élongation du fil 3.
Les moteurs 4 sont asservis de manière à maintenir le fil 3 en tension.
Lorsque le fil 3 casse, un système de contrôle-commande détecte l’absence de tension, par exemple une mesure du couple à 0Nm, et stoppe les moteurs 4.
Lors de la phase de découpe, un phénomène vibratoire apparaît. Le fil se met à vibrer, ce qui peut engendrer des variations dans la mesure du couple. Pour éviter ce phénomène et stopper les vibrations, des systèmes anti-vibratoires (non représentés) disposés de part et d’autre de la zone de découpe 2 et reliés au châssis 9 peuvent être utilisés afin de venir au contact du fil 3 et de stopper les vibrations.
De préférence, des poulies guide-fil 5a, 5b sont fixées sur au moins un chariot 7 coulissant sur une réglette 8 fixée au châssis au voisinage des tambours 1a, 1b. Cela permet de déplacer les poulies 5a, 5b le long des tambours 1a, 1b au fur et à mesure de l’enroulement et du déroulement, afin d’enrouler/dérouler le fil 3 proprement sur toute la largeur des tambours 1a, 1b. Chaque chariot 7 se déplace perpendiculairement à la direction du fil 3, et parallèlement à la l’axe de rotation des tambours 1a, 1b.
Plusieurs paramètres sont réglables dans ce dispositif de découpe, à savoir :
  • la vitesse de défilement du fil 3, en jouant sur la vitesse de rotation du(des) moteur(s) 4 des tambours 1a, 1b ;
  • l’écartement de la zone de découpe 2 ;
  • la tension électrique : plus la tension est importante, plus le fil 3 chauffe par effet joule ;
  • le matériau utilisé pour le fil 3 ;
  • le diamètre du fil 3.
On peut également jouer sur la vitesse d’approche du matériau à découper, notamment en fonction de l’épaisseur du matériau. En effet, il est nécessaire de ralentir l’avancement du matériau au niveau des zones épaisses, par exemple lors de découpe 3D, si l’on penche le matériau par rapport au fil 3.
Par ailleurs, la plage de température du fil 3 dépend du matériau à découper.
La température du fil 3 doit rester supérieure à la température de fusion du matériau à découper, s’il s’agit d’une découpe par fusion, ou supérieure à la température de pyrolyse, s’il s’agit d’une découpe par pyrolyse.
Par exemple, pour découper de la glace, il n’est pas forcément nécessaire de chauffer le fil.
Par contre pour découper du bois, il faut chauffer le fil 3 au-delà de la température de pyrolyse du bois qui est de l’ordre de 300°C.
Pour découper un matériau métallique, du type aluminium, on utilise un fil 3 inox chauffé au-delà de la température de fusion de l’aluminium, soit environ 600°C.
Pour découper un matériau minéral, un fil 3 en tungstène sera préféré. La coupe devra se faire en atmosphère neutre ou non oxydante car le tungstène s’oxyde au-delà de 800°C.
De manière générale, le fil 3 en inox est préféré.
Le fil 3 est un consommable, de faible coût, et réutilisable un certain nombre de fois.
Le fil 3 peut être relativement long, par exemple de l’ordre de 1,5km, afin qu’il ait le temps de refroidir sur le tambour une fois passé la zone de découpe 2, et avant que le sens du fil 3 soit inversé lorsque le premier tambour 1a est totalement débobiné. Avoir un fil très long permet également d’allonger le temps d’usage du fil, avant qu’il ne casse.
Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l’invention qui englobe au contraire les variantes de formes et de conceptions à la portée de l’homme de l’art.

Claims (15)

  1. Dispositif de découpe pour découper un matériau, comprenant un fil (3) de découpe présentant deux extrémités, chaque extrémité étant reliée à un tambour (1a, 1b) d’enroulement, ledit fil (3) étant tendu, ledit fil (3) étant conducteur et mis sous tension électrique pour chauffer,
    caractérisé en ce que ledit fil (3) est défilant au moment de la découpe, avec un enroulement autour d’un premier tambour (1a) simultanément à un déroulement d’un second tambour (1b), ledit dispositif présentant une zone de découpe (2) à sec dans laquelle se trouve un tronçon de fil (3) défilant apte à découper la matière venant à son contact, les deux tambours (1a, 1b) étant entraînés en rotation par deux moteurs (4) différents.
  2. Dispositif de découpe selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens de mise sous tension électrique du fil (3) entre deux pièces reliées à deux potentiels différents, par contact avec les deux pièces.
  3. Dispositif de découpe selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les deux pièces sont situées de part et d’autre de la zone de découpe (2).
  4. Dispositif de découpe selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux pièces sont situées en amont de la zone de découpe (2).
  5. Dispositif de découpe selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les deux pièces ayant des potentiels différents sont des poulies (13a, 13b) sur lesquelles circule le fil (3).
  6. Dispositif de découpe selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les deux pièces ayant des potentiels différents sont des balais (14a, 14b) sur lesquels frotte le fil (3).
  7. Dispositif de découpe selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque balai (14a, 14b) présente une face de contact sur laquelle frotte le fil (3) en défilant.
  8. Dispositif de découpe selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque balai (14a, 14b) est rotatif selon un axe de rotation, les faces de contact étant orthogonales aux axes de rotation X respectifs.
  9. Dispositif de découpe selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens de dissipation thermique de la chaleur accumulée par le fil (3) et les éléments du dispositif en contact avec le fil (3) chaud.
  10. Dispositif de découpe selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de dissipation thermique consistent en des ventilateurs (15a, 15b) refroidissant lesdits éléments en sortie de la zone de découpe (2).
  11. Dispositif de découpe selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sens de déroulement du fil (3) est réversible.
  12. Dispositif de découpe selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un châssis (9) sur lequel sont fixés les tambours (1a, 1b) d’enroulement, le fil (3) effectuant un parcours d’un tambour à l’autre le long du châssis (9).
  13. Procédé de découpe d’un matériau avec un dispositif de découpe selon l’une des revendications précédentes, ledit procédé comportant les étapes suivantes :
    • mise en rotation des tambours (1a, 1b) pour faire défiler le fil (3) dans une zone de découpe (2) ;
    • mise sous tension électrique du fil (3) au voisinage de la zone de découpe (2) ;
    • mise en contact du matériau contre le fil (3) au niveau de la zone de découpe (2) selon une orientation et un trajet de découpe prédéfinis.
  14. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la vitesse de défilement du fil (3) est réglable.
  15. Procédé selon l’une des revendications 13 à 14, caractérisé en ce que la tension électrique appliquée sur le fil (3) est réglable.
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