Marquage laser et codes de vision industrielle pour la sécurité et la traçabilité des produits

Marquage laser et codes de vision industrielle pour la sécurité et la traçabilité des produits

Dans l'industrie manufacturière, les besoins en marquage direct des pièces indélébile portant des codes de vision industrielle croissent de façon exponentielle. Le marquage direct des pièces permet de suivre un produit depuis sa fabrication jusqu'à la fin de sa vie utile. Cette demande est alimentée par les exigences croissantes de traçabilité des composants et d'identification unique des produits (UID). Depuis le 11 septembre, les fabricants mettent 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 fait de la norme MIL-STD-130M la pratique standard applicable aux biens militaires. Au-delà des exigences militaires du DoD, les fabricants de produits industriels commerciaux, de l'automobile à l'emballage, en passant par la pharmacie, l'électronique et les biens de consommation, adoptent activement des normes similaires.

Le marquage direct des pièces contenant des informations d'identification unique exige des technologies de procédé numériques telles que le jet d'encre, le pointage (dot peen) et le marquage laser. 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. De plus, les lasers permettent de marquer les plus petits codes de vision industrielle. C'est essentiel pour le micromarquage, ou 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 de fabrication 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 de détail du marquage réel.

Points clés

• Le marquage direct des pièces permet de suivre un produit de sa fabrication à la fin de sa vie, ce qu'exige l'identification unique.
• MIL-STD-130M est la norme du DoD, et les secteurs commerciaux, de l'automobile à l'emballage, l'ont suivie.
• Un code Data Matrix occupe de 1/10 à 1/100 de la taille d'un code-barres pour une même quantité de données codées.
• La redondance est intégrée dès la conception. Les données sont dispersées dans tout le symbole, avec une correction d'erreurs permettant de récupérer l'information en cas de dommage.
• Un code d'un quart de pouce est marqué en environ 200 millisecondes sur des composants de carburant automobiles situés sous le capot.

Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'un code de vision industrielle ?

Il s'agit d'une information codée interprétée par des lecteurs optiques ou des caméras. Le code-barres unidimensionnel, bien connu, représente les données par un contraste sombre sur fond clair, créant des niveaux de réflectance haut et bas convertis en uns et en zéros, les données étant stockées dans les largeurs et les espacements de lignes parallèles. Des motifs plus récents utilisent des points, des cercles concentriques et du texte dissimulé dans des images.

Pourquoi utiliser un code Data Matrix plutôt qu'un code-barres sur de petites pièces ?

Pour la taille et la robustesse. Pour une même quantité de données codées, un Data Matrix ne représente que 1/10 à 1/100 de la taille d'un code-barres : une très petite surface de pièce peut ainsi porter d'importantes données de fabrication. 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, et la correction d'erreurs aide à récupérer l'information malgré les défauts.

Quels plastiques sont généralement marqués pour la traçabilité ?

Les acétals, les nylons, les polyoléfines, les polycarbonates, les polyesters et les styréniques, soit des matériaux chimiquement inertes, non polaires et à faible énergie de surface. C'est précisément pourquoi le marquage laser est préféré aux procédés à base d'encre, qui exigent un prétraitement et un durcissement.

Quelles données un code automobile placé sous le capot contient-il ?

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. Un code d'un quart de pouce est marqué en environ 200 millisecondes.

Qu'est-ce qui a stimulé la croissance du marquage direct des pièces ?

Les exigences de traçabilité et d'identification unique. Après le 11 septembre, les fabricants ont mis en œuvre des stratégies pour établir la traçabilité et empêcher la falsification et la contrefaçon ; la norme MIL-STD-130M est devenue la pratique standard du département de la Défense, et les fabricants commerciaux ont adopté des équivalents.

Que sont les codes de vision industrielle ?

Les codes lisibles par machine (codes de vision) sont des informations codées 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). Toutefois, on utilise aussi de nouveaux motifs de points, de cercles concentriques et des codes textuels dissimulés dans des images. Aux États-Unis, l'UPC (Universal Product Code) est l'usage le plus connu et le plus répandu des codes-barres dans le commerce de détail et les produits de consommation.

Bien que les schémas de codes-barres modernes puissent contenir le jeu de caractères ASCII, les secteurs manufacturiers (électronique, aérospatiale, automobile, pharmacie, etc.) ont besoin de codes de vision industrielle nettement plus avancés. La volonté constante de coder davantage d'informations dans un espace plus réduit 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. Ils 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 un Data Matrix 2D et un code-barres.

Comparaison entre le code 2D 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 d'un code Data Matrix ne représente que 1/10 à 1/100 de celle d'un code-barres pour une même quantité de données codées. Il faut donc très peu d'espace sur une pièce pour y inscrire des données de fabrication importantes 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. La figure 2 compare le code Data Matrix et le code-barres.

Marquage laser

Ce chapitre porte sur l'utilisation des codes Data Matrix 2D sur des pièces et assemblages plastiques tridimensionnels (notamment acétals, nylons, polyoléfines, polycarbonates, polyesters, styréniques, etc.). Ces types de plastiques sont chimiquement inertes et non polaires, avec de faibles énergies de surface. Pour le marquage direct des pièces, les lasers Nd:YAG offrent des avantages par rapport aux procédés à base d'encre tels que le jet d'encre, qui exigent un prétraitement de surface et un durcissement. Les lasers Nd:YAG à balayage de faisceau (« YAG ») à une longueur d'onde de 1064 nm (proche infrarouge) sont très répandus dans l'industrie du marquage laser en raison de leur longueur d'onde d'émission, de leur puissance et de leur polyvalence. Il en résulte des vitesses de marquage plus élevées, une meilleure qualité et une productivité accrue.

À titre de référence, les lasers CO₂ à onde continue (CW) fonctionnent à une longueur d'onde de 10,6 µm (infrarouge lointain). Les lasers CO₂ génèrent une puissance crête nettement inférieure à celle des lasers YAG et ne peuvent donc pas produire de marquages à fort contraste sur la plupart des plastiques. Notons que les lasers CO₂ sont couramment utilisés pour marquer des codes-barres et des codes matriciels sur des étiquettes, des supports papier et pour l'ablation d'encre.

Le principe du marquage laser consiste à irradier le polymère avec une source de rayonnement localisée de haute énergie (le laser). L'énergie rayonnante est alors absorbée par le matériau et convertie en énergie thermique. Cette énergie thermique induit des réactions dans le matériau. Tous les lasers YAG à balayage de faisceau ne se valent pas.

Les composants matériels et logiciels qu'un fabricant de lasers intègre à ses systèmes font une différence significative en matière de qualité et de vitesse de marquage. Un attribut essentiel est la densité de puissance (watts/cm²) à la surface de marquage (qui diffère de la puissance de sortie brute du laser). Les marqueurs laser Nd:YAG à balayage de faisceau (sources à lampe à arc et à diodes) utilisent des miroirs montés sur des galvanomètres à grande vitesse pilotés par ordinateur, qui dirigent le faisceau laser sur la surface à marquer, un peu comme on écrit avec un crayon sur du papier. Chaque galvanomètre, l'un sur l'axe Y et l'autre sur l'axe X, assure le déplacement du faisceau dans le champ de marquage. Un ensemble de lentille à champ plat focalise la lumière laser pour obtenir une densité de puissance élevée à la surface du substrat. La figure 3 présente le système optique de distribution du faisceau à galvanomètres pilotés par ordinateur.

Le mode de sortie du faisceau laser est déterminant pour les performances de marquage. Les fabricants peuvent fournir des lasers multimodes, TEM00 (mode électromagnétique transverse) ou tout intermédiaire, y compris à modes d'ordre faible. Ces modes de sortie influent notamment sur la divergence du faisceau et sur la répartition de la puissance sur le diamètre du faisceau laser. Les lasers à modes d'ordre faible et TEM00 sont particulièrement bien adaptés au marquage vectoriel à grande vitesse des codes Data Matrix et des codes-barres, des caractères alphanumériques à trait unique, des polices TrueType pleines et des graphiques complexes, car ils permettent d'obtenir un petit spot focalisé, donc une ligne très étroite aux bords bien définis.

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 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 (via le déclencheur Q-switch acousto-optique) et la densité de puissance crête sont des paramètres critiques pour former la marque et obtenir le contraste et la vitesse optimaux. 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. La vitesse du faisceau est également un facteur critique.

L'utilisation d'additifs laser améliore et optimise le contraste des codes de vision industrielle et réduit les temps de cycle de marquage. Ces facteurs permettent en définitive de réaliser des économies et d'augmenter la production. Les solutions issues de la science des matériaux sont économiques, faciles à utiliser et, avec la formulation appropriée, n'ont aucun effet néfaste sur les propriétés physiques et chimiques des produits en polymère.

Applications

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 acétals, nylons et polyesters). Comme le montre l'exemple A, page 32, le code de ¼ de pouce est marqué en environ 200 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). Les avancées technologiques en marquage laser des acétals élargissent encore le champ de la sérialisation et de la traçabilité des produits. Exemple B : 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 (W.I.P.). »

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 globales, 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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