La gravure au laser permet de réduire les coûts

Robert Boyes | 07 mai 2020

Crestron Electronics Inc. utilise le marquage jour et nuit pour mettre des caractères et des graphiques sur les boutons en plastique des télécommandes et des claviers portables utilisés avec leurs divers équipements d'automatisation et d'affichage personnalisés pour les environnements commerciaux, éducatifs et domestiques. Comme ses produits sont devenus plus sophistiqués, l'entreprise avait besoin d'un moyen de passer des simples marquages ​​alphanumériques à la production de légendes avec des graphiques, des logos, etc. En raison de la petite taille des lots - souvent juste une ou deux unités - le système de marquage devait être flexible et permettre de définir et de produire rapidement des marques personnalisées. Cet article examine comment un système de marquage et de gravure au laser de Coherent a permis à Crestron Electronics de mettre en œuvre un marquage jour et nuit rentable des claviers en plastique en petites quantités.

Le marquage jour et nuit permet de voir facilement les légendes, ce qui les rend clairement lisibles sur les boutons et commandes en plastique dans des conditions d'éclairage très variables. La technique est largement utilisée dans les applications automobiles et aérospatiales pour rendre divers boutons intérieurs - serrures de porte, commandes de fenêtre, réglages de siège, réglages du système audio et commandes de climatisation - clairement visibles dans des conditions d'éclairage ambiant variant de la lumière du soleil (jour) à faible lumière (nuit). Il est également fréquemment utilisé sur les claviers d'ordinateur. La figure 1 montre un exemple typique de marquage jour/nuit dans un habitacle automobile.

Pour obtenir l'effet jour et nuit de la nuit, un bouton en plastique transparent est d'abord peint avec une couche de peinture foncée semi-transparente. Ensuite, une deuxième couche de peinture opaque de couleur contrastante (claire) est superposée. La couche supérieure de peinture est ensuite retirée de manière sélective pour créer la légende de bouton souhaitée (motif de marque) en révélant la couche plus sombre en dessous. Lorsqu'elle est éclairée de l'extérieur, la marque apparaît sombre sur un fond clair. En règle générale, une source de lumière LED placée sous le bouton l'éclaire de l'intérieur lorsque le niveau d'éclairage ambiant est faible. Cette lumière traverse la peinture foncée semi-transparente, mais est bloquée par la couche de peinture opaque sur le dessus. Cela rend la marque claire sur un fond sombre. Le contraste exactement opposé - marque claire sur un bouton sombre - peut être obtenu en réalisant la première couche de peinture claire semi-transparente et en la superposant avec une couche opaque de peinture plus foncée.

Figure 2. Le marquage jour/nuit est réalisé en plaçant deux couches de peinture contrastante sur un bouton en plastique. L'élimination sélective de la seule couche externe de peinture opaque crée la marque. Cela rend la marque visible dans des conditions d'éclairage avant (jour) et arrière (nuit).

Crestron Electronics produit des systèmes d'automatisation personnalisés pour les applications grand public et commerciales. Les utilisations typiques sont les commandes d'éclairage, les stores, l'audio, la sécurité, les téléconférences et les écrans. Souvent, ces systèmes sont contrôlés à l'aide de claviers muraux ou de télécommandes portatives. Le marquage jour et nuit est largement utilisé par Crestron Electronics pour produire des légendes de boutons pour ces produits, comme le montre la figure 3.

En termes de fabrication, les impératifs clés pour Crestron Electronics sont la capacité à produire des marques très lisibles qui présentent une apparence de « qualité » conforme à son image de marque haut de gamme. De plus, l'entreprise a de plus en plus besoin de faire des marques qui impliquent des logos et des graphiques relativement complexes, plutôt que de simples caractères alphanumériques traditionnels. Étant donné que ces marques sont généralement physiquement petites, le système de marquage doit être capable de fournir une résolution spatiale élevée et des bords nets et bien définis.

Le défi pour Crestron Electronics est qu'il fabrique des produits personnalisés en petites quantités - souvent juste une ou deux unités - achetés soit par des particuliers, des entreprises ou des institutions plutôt que des produits de consommation fabriqués en volume. Ainsi, le processus de marquage doit être facilement configuré pour produire une marque personnalisée avec un temps de configuration minimal et une faible complexité de chargement et de déchargement des pièces dans les montages d'outillage. De plus, Crestron Electronics a permis à ses revendeurs et utilisateurs finaux de créer leur propre illustration de marque, qui est automatiquement transmise à l'usine de fabrication. Les attributs de conception d'illustration de marque personnalisés sont toujours bénins pour la sortie du paramètre laser. Cela offre une flexibilité totale et complète des éléments de conception graphique pour l'utilisateur final.

Deux méthodes établies pour le marquage jour et nuit sont le moulage par injection en deux parties et la gravure rotative. En raison de la petite taille des lots, les méthodes de production en série, telles que le moulage par injection en deux parties, ne sont pas rentables pour Crestron Electronics. Dans cette technique, deux plastiques différents de couleurs contrastées sont introduits séquentiellement dans un moule, afin de créer une pièce finale en couches. Ce processus nécessite un outillage coûteux et ne fonctionne pas bien pour produire des marques haute résolution sur de petits boutons.

Traditionnellement, l'alternative au moulage pour les petites séries a été la gravure rotative avec un outil de coupe en acier, qui élimine sélectivement la couche supérieure de peinture. Les inconvénients de cette méthode sont une vitesse lente et une profondeur de coupe finie incontrôlée pour la production de graphiques complexes. De plus, les outils de coupe s'usent et doivent être affûtés périodiquement, ce qui entraîne à la fois des temps d'arrêt et des coûts de consommables.

La gravure au laser est apparue au cours des 20 dernières années comme la méthode préférée pour la production rapide de marques personnalisées jour et nuit, car elle offre une combinaison inégalée de vitesse, de flexibilité opérationnelle et de qualité de marque. Dans un système de gravure au laser pour le marquage jour et nuit, les pièces sont généralement placées dans une enceinte (pour assurer la sécurité de l'opérateur) et un faisceau laser est balayé sur la surface sous contrôle informatique pour ablater la quantité nécessaire de matériau dans le motif souhaité.

L'un des principaux avantages du traitement au laser est qu'il peut enlever très précisément de la matière à la profondeur souhaitée. En d'autres termes, il peut retirer la couche supérieure de peinture de la pièce sans retirer pratiquement aucune couche de peinture sous-jacente. Il offre également une précision dimensionnelle élevée dans la marque elle-même. Le résultat est une excellente qualité et une grande cohérence d'une pièce à l'autre en termes d'apparence des marques.

Crestron Electronics utilise le système de marquage laser Coherent LME-RM dans sa production. Il s'agit d'un système clé en main qui peut être équipé d'une variété de sources laser différentes pour marquer toutes sortes de matériaux, y compris les métaux, la céramique et les plastiques. Il est disponible avec des options, telles qu'un système de vision intégré pour le positionnement des pièces et le contrôle qualité des marques, ainsi que diverses capacités de manipulation et d'automatisation des pièces.

Pour le marquage des plastiques, la source est généralement un laser à semi-conducteurs (vanadate), car ceux-ci fournissent la courte durée d'impulsion qui fournit généralement le changement de couleur ou de contraste le plus prononcé dans le plastique sans aucun dommage thermique au matériau. Ces lasers émettent dans l'infrarouge, mais leur sortie peut également être convertie en lumière verte ou ultraviolette (UV). L'option de sortie UV est un choix courant pour le marquage des polymères souvent utilisés dans les implants médicaux. Ce même avantage - une zone affectée par la chaleur minimale - fait du laser à solide le meilleur choix pour le marquage jour et nuit, même s'il s'agit en fait d'un processus d'ablation, plutôt que d'un processus dans lequel un changement de couleur ou de texture est induit dans le matériau en vrac, comme avec le moussage.

En pratique, la production d'une marque de jour et de nuit implique généralement de faire plusieurs passages avec le laser, où chaque passe hachure la forme de la marque et enlève une petite quantité de matière (l'épaisseur totale de la couche de peinture est généralement de 0,0025 po). Il peut même y avoir des passes de "nettoyage" à la fin du processus pour polir la couche sous-jacente qui a été révélée afin qu'elle ait la texture et l'apparence lisses souhaitées.

La recette exacte du processus - nombre de passes, puissance laser, taux de répétition des impulsions laser - varie en fonction des matériaux à ablater et des épaisseurs de couche. Afin d'accélérer le développement de nouvelles recettes de processus, le marquage laser Coherent LME-RM peut exécuter automatiquement plusieurs ensembles différents de paramètres laser pour permettre une identification rapide des réglages optimaux. Plus précisément, le système produira automatiquement une grille de marques, où la puissance du laser varie entre chaque colonne et le taux de répétition du laser varie entre chaque rangée, de sorte qu'un grand nombre de combinaisons uniques sont explorées. Ensuite, l'opérateur examine la grille de marques et sélectionne les paramètres qui ont produit les meilleurs résultats. De plus, les ingénieurs de développement d'applications Coherent disposent d'une grande base de données de recettes de processus existantes qu'ils peuvent fournir aux utilisateurs afin de fournir un bon point de départ pour ce type d'optimisation.

"La qualité de la marque est notre plus grande priorité", note Keith James, directeur, chaîne d'approvisionnement stratégique et opérations de fabrication, chez Crestron Electronics. "Nous voulions offrir aux clients la possibilité de marquer des images bitmap sur nos produits d'interface utilisateur, mais nous avons d'abord dû franchir un obstacle pour conserver le même niveau élevé de clarté que celui que nous obtenons avec le texte lors du marquage d'un bitmap. Réduire la résolution n'était pas un compromis acceptable pour nous. Le système Coherent résout ce problème en faisant un contour autour de l'image bitmap après qu'elle ait hachuré le remplissage de la marque. Cela élimine tout crénelage ou bords irréguliers sur la marque, et fournit systématiquement un bord net.

« Le logiciel Coherent Visual LaserMarker (VLM) facilite également l'ensemble du processus de production de marques personnalisées », ajoute James. "En l'utilisant, nos concessionnaires peuvent afficher une disposition de clavier sur leur écran d'ordinateur, définir les symboles ou la nomenclature demandés par leurs clients, puis simplement envoyer tout cela par e-mail à notre usine de traitement des ordres de production. Notre personnel de production interne peut alors produire cette marque sur la pièce, et le logiciel VLM gère toutes les tâches de fond nécessaires pour y parvenir sans presque aucune intervention de l'opérateur. C'est un environnement extrêmement convivial, qu'un opérateur peut apprendre à utiliser en quelques minutes, de sorte que notre productivité est très élevée.

« Une autre raison pour laquelle nous avons choisi Coherent est que le marqueur peut être configuré avec presque tous les types de laser : fibre, semi-conducteur, impulsion ultra-courte, etc. », conclut Keith. "Nous ne sommes pas des experts en laser et cette étendue technologique nous donne l'assurance que nous avons configuré le meilleur système laser pour nos besoins, plutôt que d'essayer de définir notre application et de l'associer à une obscure technologie rack-and-stack que quelqu'un d'autre pourrait bien vendre."

Résumé

Le marquage avec des lasers pulsés est bien connu pour offrir une résolution spatiale et un contraste excellents, ce qui le rend idéal pour produire à la fois des caractères alphanumériques et des logos/graphiques. Le marquage jour et nuit met en évidence un autre avantage du marquage laser pulsé de précision, à savoir le contrôle précis de la profondeur. Cela permet l'élimination spatialement sélective d'une couche complète de matériau sans effet sur le substrat sous-jacent.

A propos de l'auteur

Robert Boyes est responsable du développement du marché chez Coherent Inc.

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