PAR LASER

L'invention concerne le domaine de la peinture sur substrat et décrit un procédé de séchage et/ou de cuisson par laser notamment adapté à des peintures ou encres comprenant un solvant organique ou à base aqueuse.

Différents procédés d'application de peinture ou d'encre liquide ou en poudre sur des substrats plans ou faiblement déformés par rapport au plan (sin (angle/verticale) > 0,95) sont aujourd'hui disponibles, notamment l'application par rouleau, par un rideau de peinture, la pulvérisation électro assistée ou non.

Les peintures sont ensuite séchées et/ou cuites au four ou en étuve. Trois techniques principales sont aujourd'hui disponibles pour assurer ce séchage et/ou cette cuisson : le séchage à l'air ambiant, le séchage/cuisson au four, la réticulation UV. La vitesse de défilement des substrats revêtus de peinture dans un four ou une étuve de séchage ou cuisson peut aller de quelques 1 m/min pour des substrats verriers à 1 km/min dans le cas des rotatives de presse par exemple.

La technique du séchage à l'air est très lente (plusieurs heures d'attente sont nécessaires) et se limite à l'utilisation de peinture à séchage siccatif (sans cuisson).

La technique du séchage/cuisson au four est industriellement la plus répandue aujourd'hui. Basée sur des fours à rayonnement infrarouge court/moyen, ces installations nécessitent des fours de plusieurs dizaines de mètres de long selon les vitesses de défilement du substrat et le temps de cuisson nécessaire.

Basée sur une technologie utilisant très peu de solvant, la cuisson dite de réticulation UV est réalisée par voie purement photochimique en irradiant la peinture par un rayonnement UV entraînant une réticulation. Cette technique permet des cadences plus élevées que le séchage/cuisson au four mais engendre des problèmes environnementaux, notamment du fait de la génération importante d'ozone, d'acrylates et de radicaux libres dans la zone de production. La présente invention propose d'allier la puissance d'un rayonnement intense de type laser (ce qui recouvre bien entendu la possibilité d'avoir plusieurs rayonnements de ce type) avec des peintures ou encres traditionnelles destinées à un procédé au four. L'invention est particulièrement adaptée au traitement thermique de substrats revêtus ayant de grandes surfaces, notamment allant de 1 à 25 m ² .

L'invention concerne un procédé de chauffage d'un revêtement organique appliqué sur des substrats, un rayonnement laser étant appliqué sur le revêtement organique alors que les substrats défilent en continu.

Le revêtement est organique dans la mesure où il comprend au moins un composé organique avant le traitement laser selon l'invention. Par exemple, une peinture couramment utilisée pour protéger le dos des miroirs est un revêtement organique car elle contient un solvant organique ou une résine organique. Le revêtement peut comprendre un pigment organique. Après traitement par le procédé selon l'invention, le revêtement contient généralement encore un composé organique.

L'invention est particulièrement adaptée au séchage ou à la cuisson de peintures appliquées sur un substrat verrier comme au dos des miroirs, notamment dans ce dernier cas en vue de protéger la couche d'argent de la corrosion.

Le traitement laser selon l'invention a en outre la particularité, contrairement aux traitements de recuit ou de trempe, de ne pas chauffer le substrat de manière significative. Il n'est ainsi pas nécessaire de procéder à un refroidissement lent et contrôlé du substrat revêtu avant sa découpe ou son stockage. Ce procédé rend également possible l'intégration d'un dispositif de chauffage sur des lignes de production continue existantes, notamment une ligne de production de miroirs, laquelle peut comprendre une zone de préchauffage de couche d'argent pour éliminer les traces d'humidité.

Le substrat peut notamment comprendre ou être une feuille de verre, de vitrocéramique, ou en un polymère organique. Pour l'application miroir, il est de préférence transparent. Il peut être incolore (il s'agit alors d'un verre clair ou extraclair) ou coloré, par exemple en bleu, vert, gris ou bronze. Le verre est de préférence de type silico-sodo-calcique, mais il peut également être en verre de type borosilicate ou alumino-borosilicate. Les polymères organiques préférés sont le polycarbonate ou le polyméthacrylate de méthyle ou encore le polyéthylènetérephtalate (PET). Le substrat peut présenter au moins une dimension supérieure ou égale à 1 m, voire 2 m et même 3 m. L'épaisseur du substrat va généralement de 0,5 mm à 20 mm, notamment pour l'application miroir de 0,7 à 9 mm, notamment de 2 à 8 mm, voire de 4 à 6 mm. Le substrat peut être plan ou bombé. Il peut être rigide ou flexible.

Le substrat de verre est généralement du type flotté, c'est-à-dire susceptible d'avoir été obtenu par un procédé consistant à déverser le verre fondu sur un bain d'étain en fusion (bain « float »). Dans ce cas, la couche à traiter peut aussi bien être déposée sur la face « étain » que sur la face « atmosphère » du substrat. On entend par faces « atmosphère » et « étain », les faces du substrat ayant été respectivement en contact avec l'atmosphère régnant dans le bain float et en contact avec l'étain fondu. La face étain contient une faible quantité superficielle d'étain ayant diffusé dans la structure du verre. Le substrat de verre peut également être obtenu par laminage entre deux rouleaux, technique permettant en particulier d'imprimer des motifs à la surface du verre.

Selon l'invention le substrat peut notamment être du type verrier, revêtu d'encre (comprenant au moins un pigment, notamment sous forme de nanoparticules ou comprenant au moins un colorant organique) ou de peinture à solvant organique, hydro diluées ou même hydrosolubles. L'invention est particulièrement adaptée aux encres et peintures de type Alkyde, Acrylique et Polyuréthane mais non exclusivement. Les gammes de températures accessibles par la technique selon l'invention sont particulièrement adaptées aux technologies basées sur des mécanismes de réticulation de type urée/formol, époxyde ou isocyanate, mais non exclusivement.

Le traitement thermique est réalisé à l'aide d'au moins un rayonnement laser. La puissance surfacique du rayonnement laser au niveau du revêtement est de préférence supérieure ou égale à 20 et même supérieure ou égale à 30 kW/cm ² . Cette très forte densité d'énergie permet d'atteindre au niveau du revêtement la température souhaitée très rapidement (en général en un temps inférieur ou égal à 1 seconde) et par conséquent de limiter d'autant la durée du traitement, la chaleur générée n'ayant alors pas le temps de diffuser au sein du substrat.

Grâce au très fort coefficient d'échange thermique associé au procédé selon l'invention, même la partie du substrat (notamment en verre) située à 0,5 mm du revêtement ne subit généralement pas de températures supérieures à 100°C. Le substrat ne subit donc généralement pas de température supérieure à 100°C à une profondeur de 0,5 mm de l'interface substrat/revêtement.

Grâce à la très grande homogénéité de la puissance de la ligne laser associé au procédé selon l'invention, ladite puissance ne variant pas plus de 5% sur la ligne, voire ne variant pas plus de 1 % sur la ligne, le revêtement subit une température uniforme qui permet un séchage ou une cuisson des peintures ou encres sans induire de défauts.

Le procédé selon l'invention est continu : on crée un mouvement relatif entre le substrat revêtu et les moyens de chauffage par rayon laser de manière à traiter la surface voulue, en général la totalité de la surface.

Le rayonnement laser possède de préférence une longueur d'onde comprise entre 266 et 1 1 000 nm, notamment entre 530 et 1200 nm. C'est en effet dans cette gamme de longueurs d'onde que l'absorption du revêtement (peinture ou encre) est maximale. Ainsi le rayonnement est-il absorbé spécifiquement par le revêtement et peu par le substrat, ce qui permet de chauffer rapidement la couche sans chauffer le substrat.

De préférence, l'absorption par le revêtement avant traitement thermique laser selon l'invention (encre ou peinture) à la longueur d'onde du rayonnement laser est supérieure ou égale à 20%, notamment 30% (absorption=100%- transmission-réflexion, la transmission et la réflexion étant mesurées sur l'ensemble couche/substrat par exemple par un appareillage du type Iambda900) pour une épaisseur de revêtement caractéristique de 10 μιτι en transmission normale (perpendiculairement au substrat revêtu). Au contraire, le verre, surtout le verre clair ou extra-clair, absorbe très peu dans cette gamme de longueurs d'onde si bien que le rayonnement chauffe principalement la couche. L'absorption est définie comme étant égale à la valeur de 100% auxquelles sont soustraites la transmission et la réflexion de la couche.

On utilise de préférence des diodes laser, émettant par exemple à une longueur d'onde de l'ordre de 808 nm, 880 nm, 940 nm, ou encore 980 nm ou 1032 nm. Sous forme de systèmes de diodes, de très fortes puissances peuvent être obtenues, permettant d'atteindre des puissances surfaciques au niveau de la couche à traiter supérieures à 20 kW/cm ² , voire supérieures à 30 kW/cm ² .

Pour une simplicité de mise en œuvre accrue, les lasers employés dans le cadre de l'invention peuvent être fibrés, ce qui signifie que le rayonnement laser (milieu à gain quelconque : gaz, liquide, solide) est injecté dans une fibre optique puis délivré près de la surface à traiter par une tête de focalisation. Notamment, le laser peut également être à fibre, au sens où le milieu d'amplification (c'est-à-dire milieu à gain) est lui-même une fibre optique, généralement dopée avec des ions de terre rare (« fiber laser » en anglais)

Le rayonnement laser peut être issu d'au moins un faisceau laser formant une ligne (appelée « ligne laser » dans la suite du texte) qui irradie simultanément toute la largeur des substrat revêtus du revêtement à chauffer. Ce mode de réalisation évite l'utilisation de systèmes de déplacement coûteux, généralement encombrants, et d'entretien délicat. Le faisceau laser en ligne peut notamment être obtenu à l'aide de systèmes de diodes laser de forte puissance associées à une optique de focalisation. L'épaisseur de la ligne est de préférence comprise entre 0,01 et 1 mm. La longueur de la ligne est adaptée à la largeur du substrat à traiter, elle est typiquement comprise entre 5 mm et 4 m. Le profil d'intensité de la ligne (dans sa largeur) peut notamment être une courbe de Gauss ou un créneau.

Généralement, le rayonnement laser est appliqué selon une ligne sensiblement transversale par rapport au sens de défilement des substrats.

La ligne laser irradiant simultanément toute ou partie de la largeur des substrats peut être composée d'une seule ligne (irradiant alors toute la largeur du substrat), ou de plusieurs lignes, éventuellement disjointes. Lorsque plusieurs lignes sont utilisées, il est préférable qu'elles soient disposées de sorte que toute la surface du revêtement à chauffer soit traitée. La ligne laser peut être disposée de manière oblique par rapport à la direction de défilement du substrat, mais est de préférence disposée perpendiculairement à la direction de défilement du substrat. Dans le cas de plusieurs lignes laser, celles-ci peuvent traiter le substrat simultanément, ou de manière décalée dans le temps. En pratique différents faisceaux laser sont soit focalisées physiquement au même endroit pour avoir un traitement simultané du substrat, ou alors ils sont décalées dans l'espace pour traiter l'un après l'autre une largeur donnée du substrat en défilement. L'important est que toute la surface à traiter le soit.

Afin de traiter toute la surface de la couche en continu, on met en œuvre un déplacement relatif entre d'une part le substrat revêtu de la couche et la ligne laser. Le substrat revêtu de la couche à traiter par laser peut ainsi être mis en déplacement, notamment en défilement en translation en regard de la ligne laser fixe, généralement en dessous, mais éventuellement au-dessus de la ligne laser. De préférence, la différence entre les vitesses respectives du substrat et du laser est supérieure ou égale à 1 mètre par minute, voire 4 et même 6, 8, 10 ou 20 mètres par minute, ce afin d'assurer une grande vitesse de traitement. Généralement, les substrats défilent à une vitesse de 1 à 20 mètres par minute.

Pour le déplacement du substrat en translation, la mise en mouvement peut être réalisée à l'aide de tous moyens mécaniques de convoyage, par exemple à l'aide de bandes, de rouleaux, de plateaux en translation. Le système de convoyage permet de contrôler et réguler la vitesse du déplacement. Si le substrat est en matière organique souple, généralement du type polymère comme le PVC ou PTFE, le déplacement peut être réalisé à l'aide d'un système d'avance de films comprenant une succession de rouleaux.

Le laser peut également être mis en mouvement de manière à ajuster sa distance au substrat, ce qui peut être utile en particulier lorsque le substrat est bombé, mais pas seulement. En effet, il est préférable que le faisceau laser soit focalisé sur le revêtement à traiter de sorte que ce dernier soit situé à une distance inférieure ou égale à 1 mm du plan focal. Idéalement, le revêtement se confond avec le plan focal. Si le système de déplacement du substrat ou du laser n'est pas suffisamment précis quant à la distance entre le substrat et le plan focal, il convient de préférence de pouvoir ajuster la distance entre le laser et le substrat. Cet ajustement peut être automatique, notamment régulé grâce à une mesure de la distance en amont du traitement.

Toutes les positions relatives du substrat et du laser sont possibles du moment que la surface du substrat soit convenablement irradiée. Le substrat est le plus généralement disposé de manière horizontale, mais il peut aussi être disposé verticalement, ou selon toute inclinaison possible. Lorsque le substrat est disposé horizontalement, le laser est généralement disposé de manière à irradier la face supérieure du substrat.

Le laser en ligne peut être intégré dans une ligne de fabrication de verres laqué ou de miroirs, en particuliers de miroirs solaires.

Dans le cas de l'application miroir, le laser en ligne est situé dans le procédé de production après les étapes d'argenture par exemple comme élément de préchauffage du verre avant dépôt d'une couche de peinture ou juste après le dépôt de cette couche. Le substrat revêtu peut ainsi être traité en ligne après le dépôt de la couche à traiter (encre ou peinture), à la sortie de l'installation de dépôt et avant les dispositifs de contrôle optique, ou après les dispositifs de contrôle optique et avant les dispositifs d'empilage des substrats.

Une ligne laser comme par exemple décrite à la figure 1 permet de chauffer extrêmement rapidement un revêtement (encre ou peinture) d'épaisseur comprise généralement entre 1 μιτι et 200 μιτι avant le traitement laser (c'est-à-dire le chauffage) selon l'invention. Les encres et peintures utilisées pour la cuisson au four sont naturellement très absorbantes dans l'infra rouge, un laser émettant typiquement dans une bande de longueur d'onde allant de 266 nm à 1 1 000 nm permet ainsi un transfert optimale d'énergie entre la source de rayonnement et la couche de peinture.

Le procédé de chauffage par laser selon l'invention peut notamment être utilisé selon quatre modes principaux : séchage, montée rapide en température, cuisson ou peinture en poudre :

- mode séchage : dans ce cas, l'irradiation laser permet de transférer très rapidement une énergie correspondant à la chaleur latente de vaporisation (L) du solvant à volatiliser ; dans ce cas, un fort flux d'air assure l'extraction des vapeurs de solvant ; - monté rapide en température : après séchage, le revêtement (peinture ou laque ou encre) conserve ses propriétés absorbantes dans l'infra rouge ; le traitement laser permet alors une montée extrêmement rapide du revêtement sec en vue de sa cuisson ultérieur dans un four de cuisson; le séchage lui-même peut être réalisé en étuve ou par le traitement selon l'invention, le séchage étant suivi d'un traitement thermique par laser selon l'invention ;

- cuisson : il s'agit ici de maintenir le revêtement au dessus de la température de cuisson un temps suffisant pouvant généralement aller de quelque secondes à quelques minutes ; notamment, deux possibilités de traitement sont alors possibles :

-> utilisation successive de plusieurs lignes laser de façon à maintenir la température de la couche au dessus du seuil de cuisson le temps suffisant ;

-> balayage laser de la surface à traiter ;

- peinture en poudre : l'application d'une peinture en poudre permet d'utiliser un traitement unique par une rampe laser pour fondre la poudre et ensuite la durcir.

Le traitement par laser selon l'invention permet de chauffer principalement le revêtement en chauffant au minimum le substrat. Cela permet donc de diminuer l'énergie totale nécessaire au traitement du revêtement et/ou d'augmenter les cadences de traitement.

Notamment, le procédé selon l'invention peut servir au séchage ou la cuisson des peintures pour miroirs d'intérieur ou solaire, et aussi pour la finition de la peinture d'un verre laqué. Le procédé selon l'invention peut être mis à profit pour raccourcir les longueurs des fours de séchage ou cuisson.

Pour le cas ou le traitement laser selon l'invention procure l'élimination d'une matière organique combustible (un solvant par exemple) du revêtement, on peut assurer une dilution et une convection suffisante à l'aide d'un gaz comme l'air au-dessus du substrat revêtu pour ainsi limiter les risques d'inflammation voire d'explosion.

Pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, les paramètres suivants sont généralement à prendre en considération: P [W/m ² ] : densité de puissance du rayonnement laser ;

I [m]: largeur du faisceau laser (c'est-à-dire épaisseur de la ligne laser);

L[m] : longueur du faisceau ou de l'ensemble des faisceaux laser ;

e : épaisseur du revêtement avant traitement laser ;

p : densité de la couche de revêtement humide ou sèche selon respectivement que l'on sèche (évaporation de solvant) ou cuit le revêtement (pas d'évaporation de solvant)

τ : taux de solvant dans le revêtement avant traitement laser;

a : coefficient d'absorption du revêtement avant traitement laser;

Cp [J/Kg/K] : capacité calorifique du revêtement avant traitement laser;

Lv : chaleur latente de vaporisation de la matière organique à éliminer

(solvant) lors du traitement laser;

V : vitesse de défilement du substrat ;

On a rassemblé dans le tableau 1 les valeurs entre lesquelles ces paramètres peuvent généralement se situer, bornes comprises.

Tableau 1

Alors, la quantité de chaleur cédée par unité de surface s'estime par :

Q [J/m ² ] = P.l/V ,

et la température atteinte s'estime par

ΔΤ =———

Cp.V.e.p ΔΤ représentant la différence entre la température atteinte et la température ambiante.

La figure 1 représente le procédé selon l'invention. Des substrats 1 , revêtus d'un revêtement à sécher ou à cuire, défilent les uns derrière les autres en continu selon une direction représentée par la flèche, en étant convoyés par un lit de rouleaux (non représentés). Ils passent sous une source laser 2 qui délivre une ligne laser 3 focalisée à la surface des substrats défilants et selon toute leur largeur. La ligne laser produit un chauffage permettant de sécher ou cuire le revêtement.

Exemple 1

Sur une ligne de fabrication de miroirs défilants à la vitesse de 5 m/min, on réalise un séchage selon l'invention d'une couche de peinture déposée au dos du miroir à titre de revêtement de protection. Le revêtement avant séchage avait une épaisseur de 50 μιτι, une densité de 2 T/m ³ , une capacité calorifique de 0,7kJ/Kg/K, une absorbance a de 1 . Le taux de solvant (xylène : Lv=300kJ/Kg) τ était de 30% en poids (soit 0,3 dans la formule ci-dessus). Une puissance de 330 kW/m ² convient. Une fois la peinture sèche, la densité du revêtement est de 1 ,3 T/m ³ et chaque KW/m ² conduit à une augmentation de la température de la peinture de 4 Kelvins. Le rayonnement laser chauffe essentiellement le revêtement, le verre étant chauffé uniquement par conduction à partir du revêtement et dans un lapse de temps très court (<1 s) limitant l'augmentation de sa température moyenne à moins de 1 K sur son épaisseur totale. Exemple 2

On réalise la cuisson d'une peinture du type polyuréthane à isocyanate bloqué de type industrielle nécessitant une température de 180°C pour déblocage et réticulation de la couche. Par le procédé selon l'invention, une puissance de 40 kW/m ² convient.