Marquage par laser à fibre pour la sécurité, l’identification et l’anti-contrefaçon des produits

Marquage par laser à fibre pour la sécurité, l'identification et l'anti-contrefaçon des produits

Pour le marquage direct des pièces en plastique, le marquage laser présente des avantages par rapport à l'étiquetage dans le moule et à l'impression à base d'encre. L'apparition des lasers à fibre à ytterbium confirme encore le laser comme une méthode importante pour ajouter des mesures de sécurité et d'anti-contrefaçon.

Dans l'industrie manufacturière, les besoins en marquage direct des pièces indélébile portant des codes de vision industrielle croissent rapidement. Trois types de codes sont bien connus : le QR, le Data Matrix et le code-barres. Le marquage direct des pièces permet de suivre un produit unique depuis sa fabrication jusqu'à la fin de sa vie utile. La demande de codes de vision industrielle est alimentée par les exigences croissantes de traçabilité des composants et d'identification unique des produits (UID). Depuis le 11 septembre, les fabricants ont commencé à mettre en œuvre des stratégies visant à établir la traçabilité et à empêcher la falsification et la contrefaçon des produits. Le département de la Défense des États-Unis (DoD) a élaboré la norme MIL-STD-130 comme pratique standard applicable aux biens militaires. Au-delà du DoD, les fabricants de produits industriels commerciaux, notamment dans l'automobile, la pharmacie, l'électronique, l'emballage et les biens de consommation, adoptent activement des normes similaires.

Points clés

• Les codes Data Matrix occupent de 1/10 à 1/100 de la taille d'un code-barres pour les mêmes données, un atout essentiel lorsque la surface disponible est rare.
• Environ la moitié de chaque code est redondante par conception, ce qui donne une chance sur deux que l'endommagement d'une cellule n'affecte pas la lisibilité.
• MIL-STD-130 a fixé la norme, et l'automobile, la pharmacie, l'électronique et l'emballage ont adopté des équivalents.
• Environ 25 % des codes de vision industrielle sont mal lus en raison d'une mauvaise qualité de résolution, principalement à cause des limites du jet d'encre.
• Un code 2D de 1/6 de pouce est marqué en moins de 150 millisecondes sur des composants de carburant automobiles situés sous le capot.

Questions fréquentes

Pourquoi utiliser le marquage laser plutôt que le jet d'encre pour les codes de vision industrielle ?

Pour la résolution et la permanence. Le jet d'encre non indélébile ne peut pas atteindre la résolution fine des bords de trait qu'exige la vision industrielle, en particulier sur les petites pièces, et les experts estiment qu'environ 25 % des codes de vision industrielle sont mal lus en raison d'une mauvaise qualité de résolution. La plupart des encres n'adhèrent en outre pas suffisamment aux plastiques à faible énergie de surface, même avec un prétraitement.

Quel avantage le Data Matrix présente-t-il par rapport au code-barres ?

La taille et la robustesse. Pour une même quantité de données codées, un Data Matrix représente de 1/10 à 1/100 de la taille d'un code-barres. Les données sont dispersées dans tout le symbole, de sorte que le code est composé d'environ moitié de noir et moitié de blanc, ce qui donne à peu près une chance sur deux que l'endommagement d'une cellule n'affecte pas la lisibilité, et la correction d'erreurs intégrée aide à récupérer l'information après une détérioration du symbole.

Peut-on lire les codes Data Matrix avec un lecteur de codes-barres ?

Non. Il n'existe généralement aucun motif de balayage capable d'englober le symbole entier ; le Data Matrix doit donc être lu par un dispositif de capture à caméra plutôt que par un lecteur laser.

Qu'est-ce qui a favorisé l'adoption du marquage direct des pièces ?

Les exigences de traçabilité et d'identification unique. Après le 11 septembre, les fabricants ont commencé à mettre en œuvre des stratégies pour établir la traçabilité et empêcher la falsification et la contrefaçon, et le département de la Défense des États-Unis a élaboré la norme MIL-STD-130 comme pratique standard applicable aux biens militaires. Les secteurs commerciaux ont adopté des normes similaires.

Quelles données un petit code 2D peut-il réellement contenir ?

Sur des composants de carburant automobiles situés sous le capot, un code de 1/6 de pouce marqué en moins de 150 millisecondes porte la traçabilité complète du composant : lot de résine, machine de moulage, date, équipe et heure, ainsi que les résultats du test d'étanchéité de l'assemblage.

Technologies de marquage et d'impression numériques et analogiques

Le marquage direct des pièces contenant des informations d'identification unique exige une technologie « numérique » telle que le marquage laser, le jet d'encre et le pointage (dot peen). Notons que l'étiquetage dans le moule et l'étiquetage par transfert thermique sont des procédés en deux étapes nettement plus coûteux que le marquage laser, qui ne sont pas abordés dans cet article. Pour de nombreux produits plastiques tridimensionnels, le laser est la méthode privilégiée, car le procédé produit des marquages indélébiles à fort contraste, sans les coûts élevés d'encres consommables ou de solvants, et sans post-durcissement. Les lasers peuvent marquer avec précision les plus petits codes de vision industrielle. C'est essentiel pour le micromarquage et lorsque la surface disponible sur une pièce ou un composant est limitée pour y apposer des caractères alphanumériques, des logos ou des schémas. Des opérations Six Sigma robustes exigent que tous les produits soient lisibles à 100 % par l'œil humain ou par vision industrielle, quelles que soient la taille et la complexité du marquage réel.

Un excellent exemple d'application est celui des codes Data Matrix 2D appliqués par laser sur des composants et assemblages de carburant automobiles situés sous le capot, en environnement sévère, généralement en polymères acétals, nylons et polyesters (photo 1). Le code de 1/6 de pouce est marqué en moins de 150 millisecondes. Les données contenues dans le code comprennent la traçabilité complète de la pièce (du lot de résine à la machine de moulage, en passant par la date, l'équipe et l'heure, et le test d'étanchéité de l'assemblage).

Comme l'explique un cadre de l'industrie automobile, « Bon nombre des composants de carburant en acétal que nous concevons pour le dessous du capot sont compacts. Le micromarquage indélébile d'informations critiques et de codes Data Matrix vers la fin des opérations d'assemblage automatisées, après le test d'étanchéité en ligne, a une grande valeur dans l'industrie. L'identification unique des pièces facilite aussi la gestion interne des stocks pour les en-cours de fabrication. »

Comparées au marquage laser sans contact et aux procédés à jet d'encre, la tampographie et la sérigraphie « analogiques », par transfert d'encre, ne peuvent pas produire de marquage indélébile ni d'identification unitaire unique sur la plupart des plastiques.

De plus, ces procédés s'accompagnent de coûts variables récurrents élevés en encres, tampons, clichés (plaques d'impression) et produits chimiques. En comparant le marquage laser et le jet d'encre, les économies d'encre et de consommables sont similaires. Le jet d'encre non indélébile ne peut pas atteindre la résolution fine des bords de trait, essentielle pour la vision industrielle, en particulier sur les petites pièces. Les experts estiment que 25 % des codes de vision industrielle sont mal lus en raison d'une mauvaise qualité de résolution. N'oubliez pas que la plupart des encres n'adhèrent pas suffisamment à de nombreux plastiques à faible énergie de surface, même avec un prétraitement. Cette situation existe aussi bien pour les procédés d'impression à l'encre numériques qu'analogiques.

Que sont les codes de vision industrielle ? Les codes lisibles par machine (codes de vision) contiennent des informations pouvant être interprétées à l'aide de lecteurs optiques ou de caméras. Un exemple courant est le « code-barres » unidimensionnel, une représentation de l'information, généralement en contraste sombre sur fond clair, qui crée des niveaux de réflectance haut et bas convertis en 1 et en 0. Les formats de code-barres les plus courants stockent les données dans les largeurs et les espacements de lignes parallèles imprimées (bandes noires et blanches).

Bien que les schémas de codes-barres modernes puissent contenir des jeux de caractères ASCII, certaines fabrications exigent des codes de vision industrielle nettement plus avancés. La volonté constante de coder davantage d'informations dans des espaces plus réduits a conduit à la mise au point des codes bidimensionnels « Data Matrix ». Les codes Data Matrix ne peuvent pas être lus par un laser (utilisé pour les codes-barres), car il n'existe généralement aucun motif de balayage capable d'englober le symbole entier. Les codes Data Matrix doivent être lus par un dispositif de capture à caméra. Le Data Matrix 2D est le code lisible par machine révolutionnaire, spécialement conçu pour pallier les limites des codes-barres. La figure 1 montre les différences entre les codes 2D (Data Matrix et QR) et le code-barres.

Les codes Data Matrix 2D sont idéaux pour le marquage de petites pièces et sont conçus pour résister aux environnements industriels difficiles. La taille des codes Data Matrix représente de 1/10 à 1/100 de celle d'un code-barres pour une même quantité de données codées. Très peu d'espace sur une pièce suffit pour contenir d'importantes données de fabrication en vue de la traçabilité du produit. Chaque code est composé d'environ moitié de noir et moitié de blanc, ce qui donne une chance sur deux que l'endommagement d'une cellule n'affecte pas la lisibilité. La grande redondance du Data Matrix (les données sont dispersées dans tout le symbole) et sa résistance aux défauts d'impression le rendent très fiable. Les schémas de correction d'erreurs intégrés à l'algorithme optimisent la capacité à récupérer l'information après une détérioration du symbole. Voir le tableau 1.

Additifs laser

Les additifs laser proche infrarouge améliorent le degré de contraste, qui peut être encore renforcé en modifiant les paramètres de réglage du laser. Les polymères possèdent des caractéristiques intrinsèques qui les conduisent à un contraste de marquage « foncé » ou « clair ». Certains composés colorants contenant de faibles quantités de dioxyde de titane (TiO2) et de noir de carbone peuvent aussi absorber la lumière laser et, dans certains cas, améliorer le contraste de marquage. Chaque grade de polymère, même au sein d'une même famille, peut donner des résultats différents. Les formulations d'additifs ne doivent pas être toxiques ni altérer l'aspect ou les propriétés physiques ou fonctionnelles des produits.

Par rapport aux procédés d'impression à l'encre (tampographie, sérigraphie et jet d'encre), les additifs laser permettent de réaliser des économies et peuvent offrir des vitesses de marquage supérieures de 20 % à celles de matériaux non optimisés. Les additifs laser sont fournis sous forme de granulés et de poudre. Les granulés peuvent être mélangés directement à la résine polymère, tandis que les poudres sont transformées en mélange-maître. La plupart se dispersent facilement dans les polymères. Selon l'additif et le polymère, la concentration en poids (dans la pièce finale) varie entre 0,01 et 4,0 %.

Certains additifs contiennent des mélanges d'oxyde d'étain dopé à l'antimoine et de trioxyde d'antimoine, qui peuvent conférer une teinte « grisâtre » à l'opacité du substrat naturel (non coloré). D'autres additifs peuvent contenir des particules d'aluminium, des oxydes métalliques mixtes et des composés exclusifs. Des ajustements de couleur sont réalisés à l'aide de pigments et de teintures pour obtenir l'accord de couleur final. Tels qu'ils sont fournis dans le commerce, certains additifs spécifiques (également utilisés pour le soudage laser) ont reçu l'approbation de la FDA pour le contact alimentaire et l'emballage alimentaire dans les conditions A à H de la norme 21 CFR 178.3297 – Colorants pour polymères. Des déclarations de conformité similaires existent pour l'Union européenne. Les conditions de certification sont propres au type de polymère, au seuil de concentration et au contact direct ou indirect. Une qualification supplémentaire des additifs approuvés par la FDA incorporés dans une « pièce finale » peut permettre d'atteindre la biocompatibilité de dispositifs médicaux.

Technologie des lasers à fibre à ytterbium

Les progrès de la technologie laser ont joué un rôle déterminant dans le développement rapide de la toute dernière génération d'additifs laser approuvés par la FDA. L'apparition des lasers à fibre à ytterbium nanoseconde est l'une des avancées les plus importantes pour le marquage, le soudage et la découpe. Fondamentalement, les lasers à fibre diffèrent des autres lasers de marquage à solide pompés par diodes (DPSS). Dans un laser à fibre, le milieu actif qui génère le faisceau laser est dispersé dans un câble à fibre optique spécialisé. Contrairement aux lasers à fibre de transport, tout le trajet du faisceau se trouve dans un câble à fibre optique jusqu'à l'optique de distribution du faisceau. Cette structure entièrement à fibre est en grande partie responsable de la fiabilité et de la robustesse de ces lasers, ce qui explique leur croissance rapide.

Les lasers à fibre offrent une qualité de faisceau (M2) et une brillance supérieures à celles des lasers Nd:YAG. Un laser de qualité de faisceau supérieure peut être focalisé sur un spot de petite taille, ce qui conduit à une densité d'énergie élevée. Les lasers à fibre à amplificateur de puissance à oscillateur maître (MOPA), à impulsion fixe et variable, avec une énergie d'impulsion pouvant atteindre 1 mJ et une densité de puissance élevée, peuvent marquer de nombreux polymères historiquement difficiles. Les lasers au vanadate possèdent aussi une petite valeur de M2 avec une durée d'impulsion plus courte que les lasers à fibre à impulsion fixe et les lasers YAG. La durée d'impulsion influe sur le degré de chaleur et de carbonisation dans le matériau. Les impulsions courtes, typiquement < 40 ns, permettent un apport d'énergie mieux maîtrisé lors du traitement de matériaux polymères sensibles. Ces impulsions conservent la puissance crête nécessaire pour franchir les seuils du matériau, mais ont une énergie d'impulsion plus faible qui réduit les dommages thermiques localisés.

Le développement d'applications est très spécifique, car il n'existe pas de solution laser universelle. Les lasers MOPA à impulsions courtes permettent d'exploiter pleinement les performances des additifs chimiques sensibles approuvés par la FDA. Le contrôle spatial et temporel localisé de l'apport de chaleur laser et de sa vitesse permet d'atteindre les performances maximales. Le choix du type de laser à intégrer est déterminé par l'interaction des caractéristiques de sortie du laser avec le matériau polymère optimisé.

Systèmes d'équipement laser

Les composants matériels et logiciels qu'un fabricant de lasers intègre à ses systèmes font une différence significative en matière de contraste, de qualité et de vitesse de marquage. Un attribut essentiel est la densité de puissance (W/cm²) à la surface de marquage (qui diffère de la puissance de sortie brute du laser). Le mode de sortie du faisceau laser est déterminant pour les performances de marquage. Ces modes de sortie influent notamment sur la divergence du faisceau et sur la répartition de la puissance sur le diamètre du faisceau laser.

La densité de puissance dépend de la taille du spot laser focalisé. Pour une focale de lentille et une longueur d'onde laser données, la taille du spot laser focalisé dépend de la divergence du faisceau, contrôlée par la configuration du laser, la taille du diaphragme de sélection de mode et le grossissement de l'expanseur de faisceau (upcollimator). La fréquence de répétition des impulsions et la densité de puissance crête sont des paramètres critiques pour former la marque et obtenir le contraste et la vitesse optimaux. Les courbes arithmétiques de la puissance en fonction de la fréquence de répétition sont inversement proportionnelles. Une puissance crête élevée à basse fréquence élève rapidement la température de surface et vaporise le matériau tout en conduisant un minimum de chaleur dans le substrat. À mesure que la fréquence de répétition augmente, une puissance crête plus faible produit une vaporisation minimale mais conduit davantage de chaleur. Parmi les autres facteurs qui influent sur le contraste et la qualité du marquage figurent naturellement la vitesse du faisceau et l'écart entre les lignes vectorielles.

Conclusion

Les systèmes de vision industrielle modernes ne sont pas de simples dispositifs d'inspection autonomes. Ils sont intégrés à des opérations de fabrication Six Sigma, y compris des programmes d'indicateurs de maîtrise statistique de la qualité. Les systèmes avancés intègrent de l'intelligence artificielle, ce qui élargit encore le champ d'application des lasers et des codes de vision industrielle. La puissante combinaison du marquage laser est considérée comme déterminante pour la réussite, car elle fournit un retour d'information sur le procédé et prévient les erreurs, pour des produits quasi exempts de défauts.

Scott R. Sabreen est le fondateur et le président de The Sabreen Group, Inc., une société d'ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : marquage laser, prétraitements de surface, collage, décoration et finition, et sécurité des produits. Scott Sabreen met au point des technologies pionnières et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez le joindre au 972.820.6777 ou en consultant www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

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