Lasers à balayage galvanométrique

Lasers à balayage galvanométrique

Points clés

• Ce sont les miroirs qui bougent, et non le laser ni la pièce, ce qui rend possible le marquage à haute vitesse.
• Deux galvanomètres, un par axe, assurent le déplacement du faisceau dans le champ de marquage.
• Une lentille à champ plat focalise le faisceau pour obtenir une forte densité de puissance sur tout le champ.
• La vitesse de balayage, le champ de vision et la qualité du faisceau sont les trois limites qui bornent les capacités d'une tête de balayage.

Lasers à balayage galvanométrique

Un système de marquage laser à faisceau dirigé déplace le spot laser focalisé sur une pièce immobile à l'aide de miroirs rapides pilotés par ordinateur, plutôt que de déplacer la pièce ou le laser lui-même. Deux miroirs légers montés sur des moteurs galvanométriques dévient le faisceau selon X et Y, et une lentille à champ plat maintient la focalisation sur toute la zone de marquage. La pièce reste immobile ; seul le faisceau se déplace.

C'est l'architecture qui sous-tend pratiquement tout le marquage industriel moderne, et c'est la raison pour laquelle le marquage laser est devenu viable pour la production à grande vitesse.

Fonctionnement de la chaîne optique

• Expanseur de faisceau. Élargit le faisceau brut afin que la lentille de focalisation puisse produire un spot plus petit : un faisceau plus large au niveau de la lentille donne une focalisation plus fine.
• Miroirs galvanométriques X et Y. Miroirs à très faible inertie entraînés par des moteurs galvanométriques en boucle fermée, capables de se repositionner en une fraction de milliseconde.
• Lentille f-thêta. Le composant critique. Une lentille ordinaire focalise sur une surface courbe, ce qui rendrait le marquage flou en s'éloignant du centre. Une lentille f-thêta est corrigée de sorte que le plan focal soit plat et que le déplacement soit linéairement proportionnel à l'angle de balayage, ce qui préserve la géométrie sans distorsion.

Taille du champ, taille du spot et compromis

La focale de la lentille f-thêta détermine le champ de marquage, et ce choix n'est pas sans conséquence :

Un champ plus grand se paie toujours en résolution et en densité de puissance. Comme l'irradiance est la puissance divisée par la surface du spot, un spot plus grand répartit la même puissance plus faiblement, ce qui, sur un polymère faiblement absorbant, peut faire la différence entre un marquage et l'absence de marquage. Spécifier un champ surdimensionné « pour plus de flexibilité » est une erreur fréquente et coûteuse.

Focalisation dynamique et trois axes

Un système standard à deux axes marque sur un plan plat. L'ajout d'un module de focalisation motorisé avant les galvanomètres, soit un troisième axe, permet de faire varier la hauteur focale à la volée, de sorte que les pièces plastiques galbées, étagées ou cylindriques puissent être marquées nettement sur toute leur surface. Pour les composants moulés présentant une dépouille ou une courbure importante, c'est souvent une nécessité plutôt qu'une option.

Paramètres contrôlés par l'opérateur

• Vitesse de marquage : vitesse de déplacement des miroirs, qui, avec la puissance et la fréquence de répétition, fixe l'énergie délivrée par unité de longueur.
• Vitesse de saut et temporisations : rapidité de repositionnement du faisceau entre les segments marqués. Des temporisations de saut, de marquage et de polygone incorrectes provoquent les défauts classiques : coins brûlés, débuts et fins de vecteurs arrondis.
• Motif de hachurage et espacement des lignes : pour les zones remplies, ils déterminent à la fois l'aspect et l'apport thermique cumulé.
• Décalage de focalisation : la défocalisation volontaire est parfois utilisée pour élargir le spot et adoucir le marquage.

Sur les plastiques, ces paramètres de temporisation comptent davantage que sur les métaux, car les polymères tolèrent bien moins l'accumulation locale de chaleur que provoquent de mauvais réglages de temporisation. Des conseils de dépannage sont regroupés dans le dépannage des problèmes courants de gravure laser sur les plastiques.

Temporisations et déformation des marquages

Les miroirs galvanométriques ont une masse, et ils sont donc en retard sur le signal de commande. Chaque tête de balayage expose donc un ensemble de paramètres de temporisation qui synchronisent le laser avec les miroirs. Ces réglages sont responsables de la plupart des défauts géométriques de marquage, et ils sont souvent laissés aux valeurs d'usine :

Ils interagissent avec la vitesse de marquage : une recette réglée à une vitesse donnée présentera des défauts de coins et de fins de ligne dès que la vitesse change. Il faut réajuster les temporisations chaque fois que la vitesse de marquage change sensiblement, au lieu de les considérer comme des constantes machine.

Étalonnage du champ et correction des distorsions

Une lentille f-thêta fait correspondre la déviation angulaire des miroirs à un plan focal plat, mais cette correspondance n'est jamais parfaite et se dégrade vers les bords du champ :

• Les fichiers de correction sont propres à chaque lentille. La tête de balayage applique une table de correction des distorsions adaptée à la lentille installée. Monter une autre focale sans charger le fichier correspondant produit des marquages dimensionnellement faux sur les bords du champ, tout en paraissant corrects au centre.
• Les distorsions en barillet et en coussinet se manifestent par des lignes droites qui s'incurvent près du périmètre du champ. Il s'agit d'un problème d'étalonnage, non d'un problème mécanique.
• Vérifiez avec une grille, pas avec une pièce. Marquer une grille sur tout le champ et la mesurer révèle l'erreur d'échelle, l'inclinaison et la distorsion qu'un petit marquage isolé au centre ne montrera jamais.
• Gardez la zone de travail dans le champ nominal. La précision, la taille du spot et la focalisation se dégradent toutes vers les bords : une pièce placée à l'extrémité du champ sera moins bien marquée que la même pièce au centre.
• Réétalonnez après toute modification optique : le remplacement de la lentille, de la fenêtre de protection ou de la tête justifie un nouveau contrôle par grille.

Dépannage des défauts de la tête de balayage

Termes et lectures associés

• Solutions de marquage laser des plastiques
• Irradiance laser
• Comment marquer le plastique au laser
• Marquage laser et codes de vision industrielle pour la traçabilité

Mise en application en production

The Sabreen Group apporte un soutien d'ingénierie indépendant pour la spécification des systèmes de marquage galvanométriques, le choix du champ et le développement des paramètres. Si vous spécifiez un procédé, qualifiez un matériau ou dépannez un problème de production, notre équipe de services d'ingénierie peut vous aider. Contactez-nous pour discuter de votre application.

Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'un laser à faisceau dirigé ?

Un système laser qui utilise des composants optiques dynamiques (miroirs galvanométriques ou scanners MEMS) pour diriger et contrôler rapidement la position du faisceau sans déplacer la source laser ni la pièce. C'est l'architecture standard du marquage industriel.

Comment fonctionne concrètement le balayage du faisceau ?

Des miroirs orientables s'inclinent ou pivotent pour modifier la direction du faisceau : un galvanomètre gère l'axe X et un autre l'axe Y, ce qui assure le déplacement dans le champ de marquage. Un ensemble de lentille à champ plat focalise ensuite la lumière pour obtenir une forte densité de puissance à la surface.

Pourquoi le balayage du faisceau est-il plus rapide que le déplacement de la pièce ?

Parce que les miroirs ont une masse bien inférieure à celle d'une pièce ou d'une tête laser. Le déplacement rapide du faisceau permet des cadences de gravure, de marquage, de découpe et de fabrication additive que les systèmes de déplacement mécaniques ne peuvent pas atteindre.

Qu'est-ce qui limite les performances d'une tête de balayage ?

Les limites de vitesse de balayage et d'accélération des miroirs ou du scanner plafonnent la cadence. Le champ de vision est fixé par la plage d'angles des miroirs et par le montage optique. Enfin, le maintien de la focalisation sur tout le champ limite la qualité atteignable.

À quoi sert une lentille à champ plat ?

Elle focalise le laser afin de maintenir une forte densité de puissance sur tout le champ de marquage, en compensant le fait qu'un faisceau dirigé parcourrait sinon des distances différentes selon les points, ce qui le défocaliserait vers les bords du champ.

Pourquoi les caractères présentent-ils des bavures à l'extrémité des traits ?

Les temporisations d'allumage et d'extinction du laser sont mal réglées. Les miroirs galvanométriques ont une masse et sont en retard sur le signal de commande ; la tête nécessite donc des paramètres de temporisation pour synchroniser le faisceau avec le mouvement des miroirs. Une bavure signifie que le faisceau tire alors que les miroirs sont encore presque immobiles. C'est un défaut de synchronisation : réduire la puissance ne fait qu'amincir l'ensemble du marquage au lieu de le corriger.

Faut-il réajuster les temporisations de la tête quand la vitesse de marquage change ?

Oui, dès que le changement est significatif. Les temporisations compensent la stabilisation des miroirs, et le temps de stabilisation requis évolue avec la vitesse d'entraînement des miroirs. Une recette réglée à une vitesse donnée présentera des coins arrondis et des défauts en fin de ligne à une autre, ce qui explique pourquoi les temporisations d'usine donnent souvent un marquage acceptable sur un travail et médiocre sur le suivant.

Pourquoi les marquages sont-ils dimensionnellement corrects au milieu du champ mais faux sur les bords ?

Presque toujours à cause d'un fichier de correction qui ne correspond pas à la lentille installée. La tête de balayage applique une table de correction des distorsions propre à la focale montée ; changer de lentille sans charger le fichier correspondant laisse le centre précis tandis que les bords s'incurvent et se décalent. Vérifiez avec une grille sur tout le champ plutôt qu'avec un seul marquage central, qui ne révélera jamais l'erreur.

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