Domaine technique

La présente invention concerne généralement un procédé de découpage de lames de verre métallique au laser, et elle concerne plus particulièrement un procédé pour réaliser des pièces ou des ébauches en découpant des lames de verre métallique à l’aide d’un faisceau laser pulsé. La présente invention concerne notamment un tel procédé qui est adapté pour réaliser des pièces ou des ébauches de pièces de micromécanique horlogère en verre métallique.

Etat de la technique

Les verres métalliques ou métaux amorphes sont des alliages métalliques dont la structure atomique n’est pas cristalline. Ces alliages sont généralement produits par un refroidissement suffisamment rapide pour empêcher la formation de structures cristallines. La structure amorphe de la matière constitutive de ces alliages leur donne des propriétés mécaniques radicalement différentes de celles des métaux cristallins. De manière générale, les verres métalliques possèdent des propriétés mécaniques, physiques et chimiques susceptibles d’applications prometteuses. En effet, les pièces en verre métallique (en anglais Bulk Metallic Glass ; BMG) ont généralement une limite élastique, une limite d’endurance, une résistance à la traction, une résistance à la corrosion, une dureté et une résistance à l’usure qui sont toutes plus élevées que celles des pièces en métal cristallin. Ces différences font des verres métalliques des matériaux de choix pour la réalisation de petites pièces dans le domaine de l’horlogerie notamment. En particulier, la résistance des verres métalliques à l’usure et leur capacité à emmagasiner une quantité importante d’énergie par déformation élastique sont deux caractéristiques extrêmement intéressantes.

Les verres métalliques sont toutefois difficiles à travailler. Il s’agit en effet de matériaux fragiles dont le domaine de déformation plastique est restreint, voire parfois inexistant. Ces matériaux ont ainsi tendance à se fracturer dès que leur limite d'élasticité est dépassée. En effet, n’ayant pas de structure cristalline, les verres métalliques ne possèdent pas non plus de dislocations. Or, ce sont ces dernières qui, en se déplaçant, propagent les déformations plastiques et donnent au métal sa ductilité. D’autre part, les verres métalliques ont des températures de cristallisation et de fusion qui sont relativement basses. Lorsqu’on travaille ces verres, il est donc important de limiter les apports de chaleur, de façon à ne pas risquer de les faire chauffer jusqu’à leur température de cristallisation, sous peine d’altérer leurs propriétés mécaniques. Enfin la faible conductivité thermique des verres métalliques rend très difficile de les refroidir « à cœur » rapidement. On comprendra de ce qui précède que les méthodes d’usinage traditionnellement utilisées dans l’horlogerie ne sont pas adaptées à ces nouveaux matériaux.

L’usinage de métaux amorphes est une problématique récente, un grand nombre de découvertes concernant leur production ayant été effectuées dans les années 1990. Il n’y a donc pas à ce jour de protocoles établis garantissant une non-cristallisation des pièces mises en forme. De plus, cette famille de matériaux étant vaste, de larges disparités dans les propriétés sont présentes.

Un laser est un générateur de rayonnement électromagnétique monochromatique et cohérent. Le découpage de lames au laser, mentionné en préambule, est un procédé d’usinage apparu dans les années 1960. La découpe laser permet de façonner des pièces à partir de matériaux de natures diverses. Ce procédé consiste à découper la matière grâce à une grande quantité d’énergie produite par un laser et concentrée sur une très faible surface. La focalisation du faisceau laser permet d'élever la température d'une zone réduite de matière, jusqu'à vaporisation. La zone affectée thermiquement par le rayon laser (en anglais Heat Affected Zones ; HAZ) est relativement faible, ce qui explique le peu de déformation subi par les pièces découpées. Les désavantages principaux de la découpe laser sont la formation de zones où la qualité du matériau usiné est altérée par la chaleur, ainsi que la formation de bavures au bord de la découpe.

Il existe aujourd’hui des lasers pulsés qui sont capables de générer des séries d’impulsions de durées extrêmement courtes avec une puissance instantanée élevée. Ceci permet de cantonner la production de chaleur dans des intervalles de temps extrêmement brefs. La possibilité qu’a le matériau usiné de refroidir entre chaque impulsion permet de limiter l’élévation de la température en comparaison avec un laser fonctionnant en continu. Cette particularité peut être un avantage pour la découpe de verres métalliques, puisqu’elle pourrait potentiellement permettre de maintenir la température du matériau amorphe en dessous de sa température de cristallisation.

Il vaut la peine ne mentionner encore que la mise en oeuvre de certains procédés de découpe laser connus s’accompagne de l’utilisation d’un gaz d’assistance. Ce gaz peut être de nature réactive (par exemple l’oxygène) et être utilisé dans le but d’amplifier le retrait de matière ayant lieu au niveau de la surface à usiner. Alternativement, le gaz peut être de nature non-réactive (par exemple l’argon). Un gaz non-réactif permettra en principe d’obtenir une meilleure qualité de découpe, et il contribuera en outre au retrait des particules de matière.

Malgré les avancées réalisées, l’homme du métier ne dispose toujours pas à ce jour d’un procédé de fabrication de pièces par découpage de lames de verre métallique à l’aide d’un faisceau laser pulsé, qui garantisse la non-cristallisation du verre métallique découpé.

La publication WO 2022/234155 décrit un procédé de découpe pour des verres métalliques possédant :

- un diamètre critique (De) inférieur à 5 millimètres, de préférence inférieur à 3 millimètres, et/ou

- une différence (A x) entre la température de cristallisation (Tx) et la température de transition vitreuse (Tg) inférieure à 60°C, et/ou

- un quotient (A Tx /(Tl-Tg)) de la différence (A Tx) entre la température de cristallisation (Tx) et la température de transition vitreuse (Tg) et de la différence entre la température de liquidus (Tl) et la température de transition vitreuse (Tg) inférieur à 0,12, de préférence inférieur à 0,1. Les alliages métalliques amorphes décrits dans la publication WO 2022/234155 sont à base de nickel. Ces alliages métalliques amorphes ont des températures de cristallisation supérieures à 650°C. Ce document ne donne aucune information sur le comportement d’alliages métalliques amorphes ayant de faibles températures de cristallisation, notamment inférieures à 650°C.

Divulgation de l'invention

Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients de l’art antérieur qui viennent d’être expliqués. La présente invention atteint ce but ainsi que d’autres en fournissant un procédé de découpe d’une lame en verre métallique comprenant l’application sur la lame d’un faisceau laser pulsé de longueur d’onde inférieure ou égale à 555 nanomètres, le laser pulsé étant formé d’une succession d’impulsions ayant chacune une durée inférieure à 10 picosecondes, et avantageusement inférieure à 1 picoseconde.

Conformément à l’invention, le verre métallique a une température de cristallisation inférieure à 500°C, et l’énergie lumineuse du faisceau laser incident sur la lame est comprise entre 1 et 10 microjoules par impulsion.

La présente invention concerne également un procédé de découpe d’une lame en verre métallique, ledit procédé comprenant les étapes : a) se munir d’un équipement comprenant au moins un laser agencé pour produire un faisceau laser pulsé de longueur d’onde inférieure ou égale à 555 nanomètres, le faisceau laser pulsé étant formé d’un succession d’impulsions ayant chacune une durée inférieure à 10 picoseconde, et avantageusement inférieure à 1 picoseconde, et un module d’atténuation du faisceau laser agencé pour pouvoir régler la quantité d’énergie lumineuse du faisceau laser incident ; b) se munir d’un échantillon de verre métallique à découper ; c) régler le module d’atténuation de sorte que l’énergie lumineuse du faisceau laser incident sur la lame est comprise entre 1 et 10 microjoules par impulsion si le verre métallique à découper a une température de cristallisation inférieure à 500°C, et de sorte que l’énergie lumineuse du faisceau laser incident sur la lame est comprise entre 15 et 80 microjoules par impulsion si le verre métallique à découper a une température de cristallisation supérieure à 500°C ; et d) découper la lame par application sur ledit échantillon de verre métallique du faisceau laser dont l’énergie lumineuse a été réglée selon l’étape c) en mettant en oeuvre le procédé de découpe tel que défini ci-dessus si le verre métallique a une température de cristallisation inférieure à 500°C, ou par application sur l’échantillon de verre métallique dudit faisceau laser dont l’énergie lumineuse est comprise entre 15 et 80 microjoules par impulsion si le verre métallique a une température de cristallisation supérieure à 500°C .

Brève description des dessins

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence au dessin annexé qui illustre schématiquement à titre d’exemple un système laser susceptible d’être utilisé pour mettre en oeuvre les procédés de l’invention.

Modes de réalisation de l’invention

Un procédé de découpe d’une lame en verre métallique selon l’invention comprend l’application sur la lame d’un faisceau laser pulsé de longueur d’onde inférieure ou égale à 555 nanomètres, le faisceau laser pulsé étant formé d’un succession d’impulsions ayant chacune une durée inférieure à 10 picoseconde, et avantageusement inférieure à 1 picoseconde, ledit verre métallique ayant une température de cristallisation inférieure à 500°C, et l’énergie lumineuse du faisceau laser incident sur la lame étant comprise entre 1 et 10 microjoules par impulsion. Ce procédé de découpe d’une lame en verre métallique ayant une température de cristallisation inférieure à 500°C peut être mis en oeuvre dans un procédé de découpe plus global d’une lame en verre métallique utilisant un équipement permettant de découper une lame en verre métallique quelle que soit la température de cristallisation du verre métallique à découper. A cet effet, ce procédé comprend les étapes : a) se munir d’un équipement comprenant au moins un laser agencé pour produire un faisceau laser pulsé de longueur d’onde inférieure ou égale à 555 nanomètres, le faisceau laser pulsé étant formé d’un succession d’impulsions ayant chacune une durée inférieure à 10 picoseconde, et avantageusement inférieure à 1 picoseconde, et un module d’atténuation du faisceau laser agencé pour pouvoir régler la quantité d’énergie lumineuse du faisceau laser incident ; b) se munir d’un échantillon de verre métallique à découper ; c) régler le module d’atténuation de sorte que l’énergie lumineuse du faisceau laser incident sur la lame est comprise entre 1 et 10 microjoules par impulsion si le verre métallique à découper a une température de cristallisation inférieure à 500°C, et de sorte que l’énergie lumineuse du faisceau laser incident sur la lame est comprise entre 15 et 80 microjoules par impulsion si le verre métallique à découper a une température de cristallisation supérieure à 500°C ; et d) découper la lame par application sur ledit échantillon de verre métallique du faisceau laser dont l’énergie lumineuse a été réglée selon l’étape c) en mettant en oeuvre le procédé de découpe tel que défini ci-dessus si le verre métallique a une température de cristallisation inférieure à 500°C, ou par application sur l’échantillon de verre métallique dudit faisceau laser dont l’énergie lumineuse est comprise entre 15 et 80 microjoules par impulsion si le verre métallique a une température de cristallisation supérieure à 500°C . L’élément central de l’équipement permettant la mise en œuvre des procédés de l’invention est bien sûr le laser. La figure annexée illustre schématiquement à titre d’exemple un système laser susceptible d’être utilisé pour mettre en œuvre les procédés de l’invention. Dans cette figure, la référence 1 désigne un laser femtoseconde, la référence 2 désigne un module d’atténuation du faisceau laser qui comprend une lame à retard demi-onde rotative 3 et un miroir semi-réfléchissant polarisé 4, la référence 5 désigne une lame quart-d’onde permettant de changer la polarisation linéaire du faisceau laser en polarisation circulaire, la référence 6 désigne un diaphragme d’ouverture (ou iris), la référence 7 désigne un système afocal constitué par un ensemble d’éléments optiques 7a, 7b associés dans une configuration de télescope, la référence 8 désigne un dispositif de mesure de la puissance lumineuse, la référence 9 désigne un objectif télécentrique (ou système de déviation optique) qui permet de commander le balayage du plan de travail par le faisceau laser. Enfin, la référence 10 désigne la lame de verre métallique qui doit être découpée à l’aide des procédés de l’invention.

Le laser référencé 1 est un laser à impulsion ultra, ou quasi-ultra, courte, la durée des impulsions du laser se situant entre 100 femtosecondes et 10 picosecondes, et se situant de préférence entre 100 femtosecondes et 1 picoseconde. Le taux de répétition des impulsions du laser (la cadence) est compris entre 5 kHz et 1 MHz, avantageusement entre 5 kHz et 30 kHz, de préférence entre 5 kHz et 25 kHz, typiquement 5, 10, 15, 20, 25 kHz.

De préférence, lorsque le verre métallique à découper a une température de cristallisation inférieure à 500°C, l’énergie lumineuse du faisceau laser incident sur la lame est comprise entre 1 et 10 microjoules par impulsion, et le taux de répétition des impulsions du laser (la cadence) est compris entre 5 kHz et 30 kHz, de préférence entre 5 kHz et 25 kHz.

La longueur d’onde du rayon laser est inférieure ou égale à 555 nanomètres. Selon une première variante, la lumière émise par le laser 1 est verte, sa longueur d’onde étant comprise entre 490 et 555 nanomètres. Elle peut par exemple être égale à 513 ou à 515 nanomètres. Selon une deuxième variante, le laser 1 émet dans une gamme bleu-violet, sa longueur d’onde étant comprise entre 380 et 490 nanomètres, de préférence entre 405 et 450 nanomètres. Elle peut par exemple être égale à 405, à 445, à 447 ou à 450 nanomètres. Selon une troisième variante, le laser 1 émet dans l’ultraviolet, sa longueur d’onde étant comprise entre 330 et 380 nanomètres. Elle peut par exemple être égale à 343 nanomètres. On notera que les longueurs d’onde de 515 nm (vert) et de 343 nm (ultraviolet), citées à titre d’exemple, peuvent être produites toutes les deux à partir du même laser. En effet, ces deux longueurs d’onde peuvent être obtenues respectivement en doublant et en triplant la fréquence fondamentale d’un même laser, la fréquence fondamentale du laser correspondant à une longueur d’onde de 1030 nm.

Le module d’atténuation (référencé 2) permet de régler la quantité d’énergie contenue dans les impulsions produites par le système laser de la figure annexée. En sortie du laser 1 , l’intensité du faisceau est maximale. Le faisceau traverse ensuite un module d’atténuation 2 qui permet d’atténuer et d’ajuster son intensité ou, autrement dit, d’atténuer et d’ajuster l’énergie de chaque impulsion du faisceau. Le module d’atténuation 2 permet par exemple de régler l’énergie des impulsions dans une gamme comprise entre 0 et 150 microjoules. On comprendra que l’énergie contenue dans les impulsions laser est responsable de l’augmentation de la température de la lame de verre métallique. Pour éviter la cristallisation du verre métallique, il est préférable de maintenir la température de la lame en-dessous de la température de cristallisation. Dans ces conditions, plus la température de cristallisation du verre métallique est basse, plus l’énergie de faisceau laser devrait être atténuée. Ainsi, lorsque la température de cristallisation du verre métallique de la lame 10 est inférieure à 500°C, on utilisera de préférence un premier mode de mise en oeuvre du procédé de l’invention, selon lequel l’énergie des impulsions du faisceau laser incident sur la lame est comprise entre 1 et 10 microjoules, correspondant à une fluence inférieure à environ 8 J/cm ² (avec un laser de longueur d’onde 515 nm, de durée d’impulsion de 230 fs, de taille de spot de 13 pm, de fréquence 25 kHz et de vitesse de scan de 5 mm/s). Une énergie comprise entre 10 et 14 microjoules par impulsion pourrait également être utilisée. A cet effet et d’une manière avantageuse, le module d’atténuation 2 a été réglé au préalable selon l’étape c) du procédé en fonction de la température de cristallisation du verre métallique à découper. A titre d’exemple, le verre métallique découpé grâce au premier mode de mise en oeuvre pourrait avantageusement être un alliage TibalanceZr35.0Cu17.0S8.0 (pourcentages atomiques) tel que le Medalium T1 distribué par Amorphous Metal Solutions GmbH, un alliage ZrbalanceCu17.9Ni14.6AI10.0Ti5.0 (pourcentages atomiques) tel que le Médalium Z2 distribué par Amorphous Metal Solutions GmbH, ou un alliage Zr59.3Cu28.8AI10.4Nb1.5 (pourcentages atomiques) tel que TAMZ4 distribué par Heraeus Group, qui ont tous les trois une température de cristallisation inférieure à 480°C. En revanche, lorsque la température de cristallisation du verre métallique de la lame 10 est supérieure à 500°C on utilisera de préférence un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé, selon lequel l’énergie des impulsions du faisceau laser incident sur la lame est comprise entre 15 et 80 microjoules. A cet effet, et d’une manière avantageuse, le module d’atténuation 2 a été réglé au préalable selon l’étape c) du procédé en fonction de la température de cristallisation du verre métallique à découper. A titre d’exemple, le verre métallique découpé grâce au deuxième mode de mise en oeuvre pourrait avantageusement être un alliage NibalanceNb38.0 (pourcentage atomique) tel que le Medalium N1 distribué par Amorphous Metal Solutions GmbH ou un alliage Ni(57-67)Nb(28-38)Zr(0-10) (pourcentages atomiques) tel que les Vulkalloys® distribués par Vulkam, notamment le Ni1 qui ont tous les deux une température de cristallisation supérieure à 600°C.

A la sortie du laser 1 , le faisceau est polarisé linéairement. Un inconvénient d’avoir un faisceau polarisé linéairement est que l’efficacité de l’ablation peut dépendre de l’angle entre la direction d’avancement du point d’incidence et la direction de polarisation. La lame quart-d’onde (référencée 5 dans la figure annexée) permet de changer la polarisation linéaire du faisceau en une polarisation circulaire, et de supprimer ainsi cet effet indésirable. La référence 7 de la figure annexée désigne un système afocal comprenant une lentille divergente 7a et une lentille convergente 7b associées dans une configuration de télescope. La configuration télescope permet d’agrandir la taille du faisceau émergeant de l’iris 6.

La lame 10 que l’on veut découper grâce au procédé de l’invention est une lame mince. Son épaisseur maximum ne dépasse pas 1 millimètre. Elle est même de préférence inférieure à 500 microns. Il vaut la peine de préciser de plus que la lame référencée 10 dans la figure annexée n’est pas forcément une lame d’épaisseur constante. Il peut tout aussi bien s’agir d’une lame dont l’épaisseur varie d’un endroit à un autre de la lame.

L’échantillon de verre métallique à découper fourni à l’étape b) se présente généralement sous la forme d’une plaque.

De préférence, les verres métalliques utilisés dans la présente invention présentent un diamètre critique (De) supérieur ou égal à 5 mm. Les barreaux de verre métallique obtenus après moulage sont coupés en tranches (section transversale du cylindre, préférentiellement située vers le milieu du barreau) d’épaisseur comprise entre 1 et 10 millimètres. Les tranches obtenues sont analysées par diffraction des rayons X pour déterminer si elles présentent une structure amorphe ou partiellement cristalline. Le diamètre critique est alors déterminé comme étant le diamètre maximum pour lequel la structure est amorphe. Cela signifie que le diamètre critique peut être défini comme le diamètre au-dessus duquel une analyse par diffraction des rayons X met clairement en évidence des pics de cristallinité. Une telle évaluation du caractère amorphe d’un alliage métallique est détaillée dans l’article Cheung et al., 2007 « Thermal and mechanical properties of Cu-Zr-AI bulk metallic glasses» doi:10.1016/j.jallcom.2006.08.109).

La découpe de la lame en verre métallique se fait par ablation est donc creusement progressif d’une saignée. La largeur de la saignée est au moins aussi grande que le diamètre du point d’incidence (ou spot) du faisceau laser sur la surface de la lame 10. L’optique du système laser est de préférence réglée de manière à focalisé le faisceau laser sur la surface de la lame. Le diamètre du point d’incidence correspond donc au diamètre du faisceau à son point focal. Comme la lame est de faible épaisseur et que l’angle d’ouverture du faisceau laser est faible également, il n’est pas nécessaire de changer de focale en cours de procédé pour tenir compte de la profondeur de la saignée.

Par convention, dans la présente demande, on mesure la taille du faisceau laser en mesurant sa largeur (son diamètre) à 1/E ² (c’est-à-dire approximativement à 13,5%) du maximum d’intensité. On sait que l’intensité (la puissance) lumineuse est maximum sur l’axe du faisceau et qu’elle décroit à mesure qu’on s’écarte de cet axe. Le diamètre du point d’incidence du faisceau laser sur la lame (mesuré selon cette convention) est de préférence compris entre 5 et 15 microns. Sur la base de la même convention, on peut en outre calculer la densité d’énergie (la fluence) des impulsions laser incidentes en divisant l’énergie d’une impulsion par la surface du point d’incidence.

La largeur de la saignée dans la lame est de préférence comprise entre 5 et 25 microns. Selon une variante avantageuse, le faisceau laser est focalisé sur un diamètre plus petit que la largeur de la saignée à obtenir, et il est déplacé circulairement par une optique rotative (dite tête de trépanation).

On comprendra en outre que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour un homme du métier peuvent être apportées aux modes de mise en oeuvre qui font l’objet de la présente description sans sortir du cadre de la présente invention définie par les revendications annexées.