Innovations en marquage laser : élargir les horizons dans l'automobile, le pétrole et gaz, et la santé

Le marquage laser va sous la mer, sous les surfaces et en ultrarapide.

Le domaine bien établi du marquage laser continue de faire de nouvelles percées avec des opportunités d'affaires en expansion dans l'automobile, le pétrole et gaz, le médical et d'autres industries.

Les lasers ultrarapides — ceux dans le régime picoseconde et femtoseconde — émergent comme acteurs clés dans certaines applications médicales particulièrement délicates et fédérales. De nouvelles versions de logiciels propriétaires et des systèmes de marquage personnalisés sont de plus en plus demandés. Et un nouveau partenariat majeur entre un fournisseur de systèmes relativement jeune et un leader mondial des fils et harnais démontre davantage l'élan robuste du marquage laser.

Et, conformément à l'élan vers l'Industrie 4.0, de nouvelles mesures d'automatisation sont déployées pour augmenter le débit des produits marqués au laser.

Finalement, si le marquage laser décoratif est utilisé depuis un certain temps, le besoin croissant de protection de marque via le marquage de traçabilité de codes complexes sur une large gamme de pièces de haute valeur rend la technologie plus vitale que jamais.

Grandir ensemble

Pour Cajo Technologies, basé en Finlande, 2019 s'annonce comme la continuation de l'élan de l'année dernière avec un nouveau partenariat de vente et distribution avec le géant des fils et harnais Anixter, ainsi qu'une expansion du travail avec les câbles sous-marins.

Ces industries comptent fortement sur le marquage rapide à la volée, qui reste l'application à la croissance la plus rapide de Cajo, selon le président Ismo Rantala. En affaires depuis 2010 et avec un siège américain à La Nouvelle-Orléans, Cajo se targue d'être le marqueur laser le plus rapide au monde — ce qui a clairement attiré l'attention d'Anixter.

Anixter « est le plus grand distributeur de fils au monde », a expliqué Rantala, « et ils stockent plus d'un milliard de dollars de fils dans le monde. » En apportant l'expertise de Cajo en interne, Anixter ajoute de la valeur pour ses clients, qui peuvent obtenir soit des fils pré-marqués, soit un système de marquage Cajo directement du fournisseur de fils.

« L'industrie du fil et harnais a découvert que le marquage à la volée est l'avenir du marquage de tout ce qu'ils font », a dit Rantala. Il a noté que 90 % des temps d'arrêt dans les applications de marquage sont généralement dus à la défaillance des machines à encre bouchées. En revanche, les lasers n'ont pas de consommables et peuvent fonctionner 100 000 heures, a-t-il dit.

Pendant ce temps, Cajo — qui vend principalement aux OEM — renforce sa suite logicielle propriétaire, les mettant dans le même domaine que Trumpf et Rofin. La plus récente offre de conception de l'entreprise est CajoCAD 3.0. En fait, la priorité d'embauche de Cajo pour le moment est les ingénieurs logiciels, a dit Rantala, dans le but de continuer à améliorer les vitesses de marquage de fils basées sur les spécifications demandées par les plus grands fabricants de fils de l'industrie.

L'innovation continue est particulièrement importante pour Cajo en raison de la demande sur ses systèmes pour le marquage de câbles sous-marins entre plates-formes pétrolières et le continent. Ces câbles revêtus de plastique peuvent aller jusqu'à 80 km (49 miles), comme dans le cas des lignes de puissance et fluides à fibre optique produites pour l'industrie de l'énergie par Aker Solutions de Norvège. De multiples câbles individuels peuvent être logés dans un câble plus large.

Pour Aker, Cajo a créé une cellule de marquage à trois lasers qui fait des marques à intervalles de 120° autour du câble, pour que les marques indiquant le nom du projet et la longueur du câble puissent être vues sous n'importe quel angle. Puisque les câbles à fibre optique ne peuvent pas se tordre et fonctionner correctement, une seule ligne marquée sur le dessus assure qu'ils restent dans leur orientation appropriée. D'autres marquages indiquent la distance à laquelle une portion particulière du câble se trouve du navire, de la plate-forme ou du continent. « C'est pour le dépannage ; si quelque chose arrive avec n'importe quel câble, ils peuvent localiser où est l'erreur et aller la réparer. »

En termes de lasers dans ses systèmes, Cajo s'appuie sur des unités à fibre, qui peuvent marquer « 99 % des matériaux », a affirmé Rantala. « Nous pouvons marquer la ligne de pose et le marquage séquentiel pour les câbles sous-marins sur PVC et autres matériaux avec des lasers, et ça fait tourner les têtes parmi les entreprises qui font ces produits. »

Court et tranchant

À une échelle bien plus petite en termes de taille de pièce, la communauté médicale commence à adopter les lasers ultrarapides, ou à impulsions ultracourtes, dans le régime picoseconde et même femtoseconde pour marquer des identifiants uniques de dispositifs (IUD) permanents sur des dispositifs en acier inoxydable.

Bien que les lasers nanosecondes aient réussi à marquer des produits depuis un certain temps, a noté Thorsten Ferbach, gestionnaire développement commercial pour Coherent-Rofin, Santa Clara, Californie, leur impact sur l'acier inoxydable peut mener à la corrosion avec des autoclavages répétés. Donc, bien que les lasers picosecondes soient un investissement significatif, ils se rentabilisent amplement dans la fabrication de dispositifs médicaux de haute valeur — où un échec n'est jamais une option.

Poussant cette technologie, la réglementation de la FDA entrée en vigueur en septembre 2018 stipulant que les dispositifs médicaux nécessitant de multiples cycles de stérilisation portent des marques qui ne se dégradent pas avec le temps. Les réglementations visent à garantir que les médecins du monde entier peuvent accéder aux données encodées dans ces marques. Les échecs à la lecture de ces codes génèrent des dossiers dans la base de données de la FDA, a expliqué Ferbach, et trop de rapports pour un produit donné peuvent entraîner l'arrêt de la production par la FDA dans le cadre d'une enquête majeure.

Pour satisfaire cette demande, Coherent-Rofin a optimisé son laser picoseconde Rapid NX, a expliqué Ferbach. Contrairement aux lasers nanosecondes, qui produisent des marques sombres en créant de l'oxyde noir sur la surface d'un matériau, le marquage picoseconde altère la nanostructure sous-surface de matériaux comme l'acier inoxydable 1.4301, piégeant et absorbant la lumière pour produire des marques à haut contraste.

« C'est similaire en principe à la peau protectrice des avions de chasse furtifs », a expliqué Ferbach. « Quand vous exposez cette peau à des faisceaux radar, il n'y a pas de réflexion ; l'avion devient invisible. » Avec un dispositif en acier inoxydable, les zones traitées avec le laser picoseconde absorbent la lumière pour apparaître comme des marques sombres. Et contrairement à une marque d'oxyde, qui peut changer d'apparence selon l'angle sous lequel elle est vue, la marque noire sous-surface a la même apparence sous tous les angles.

En termes de débit et de capacité à surveiller le processus de marquage, il n'y a pas de différence entre le laser nanoseconde et picoseconde dans cette application, a-t-il noté. Mais avant qu'un client ne se lance dans un projet, Coherent-Rofin mènera une étude de faisabilité. Cela assure que le laser picoseconde fonctionne sous les paramètres corrects pour le travail et que le client comprend les mesures de maintenance préventive pour ces unités refroidies à l'eau en interne.

En dehors des dispositifs médicaux, d'autres industries ont le potentiel d'adopter la précision des lasers à impulsions ultracourtes pour le marquage.

Le design de cuisine contemporain, avec son accent sur les appareils en acier inoxydable, est un candidat idéal, a noté Ferbach. « Vous voyez les articles en acier inoxydable sont soit gravés, soit imprimés », a-t-il expliqué. Les fabricants de cette industrie évitent les lasers nanosecondes actuellement à cause de la variabilité mentionnée de l'apparence des marques noires vues sous différents angles. « C'est là qu'on doit encore éduquer le marché » sur les avantages des lasers ultrarapides.

Outre les appareils, a-t-il continué, les OEM d'électronique grand public adoptent aussi l'ultra-rapide.

En termes de matériaux, les lasers picosecondes peuvent aussi marquer sur le titane, surtout pour les implants ; l'aluminium anodisé, souvent utilisé dans les dispositifs orthopédiques ; et les plastiques PEEK et PPSU.

Portefeuille et marchés en expansion

Dapra Marking Systems de Bloomfield, Conn., a commencé à fabriquer ses propres systèmes laser il y a environ deux ans pour capitaliser sur de multiples opportunités, allant des grands OEM aux petits fabricants personnalisés. Des dispositifs à faible puissance à la puissance de marquage relativement élevée de 100 W, Dapra a encore élargi ses offres avec une nouvelle ligne laser vert à fibre et picoseconde.

« Nous avons embarqué et commencé à offrir des lasers picosecondes parce que quand vous avez la bonne application et que seule la picoseconde peut le faire, c'est un bon ajustement », a dit Dave Noonan, directeur des ventes et applications laser. « Pensez au marquage UV comme du marquage à froid car il y a une très petite signature thermique. Avec les lasers picosecondes, c'est comme ça sous stéroïdes. »

L'entreprise offre aussi une enceinte avec une glissière programmable montée sur le mur arrière. Cette glissière en X permet aux utilisateurs de déplacer la tête laser sur une distance beaucoup plus grande. Une glissière typique permet un mouvement de 30 po (762 mm), a expliqué Noonan, permettant le marquage de plus de pièces ou de pièces très longues comme un canon de fusil ou une série de canons. Cela contraste avec des zones de marquage carrées plus coutumières d'environ 110-170 mm.

Pendant ce temps, un nouvel ajout à la suite logicielle de Dapra permet un indexage rotatif plus rapide de pièces cylindriques comme les outils chirurgicaux. « Si vous avez une sonde et vous avez besoin d'anneaux posés sur la sonde pour savoir à quelle profondeur elle va dans le tissu, ces anneaux doivent être mis d'une manière très consistante », a expliqué Noonan. « Un "troisième axe" typique pour marquer des anneaux nécessite de marquer puis d'indexer ; il ne permet pas de faire les deux en même temps. (Notre nouveau logiciel) nous permet de marquer et tourner en même temps », surmontant une lutte de longue date pour les fabricants, et à moindre coût que les vrais logiciels à la volée.

En plus de ses options logicielles et armoires personnalisées, Dapra a développé un nouveau contrôleur qui peut être inséré dans n'importe laquelle de ses armoires pour n'importe quelle puissance laser. « C'est très modulaire par nature », a dit Noonan. Le même contrôleur est utilisé pour les offres Classe 4 également, qui sont devenues assez populaires.

Les systèmes de Dapra ont rapidement trouvé des adopteurs pour des applications médicales, aérospatiales, automobiles, fabrication d'engrenages et équipements agricoles lourds.

« L'aérospatiale est un secteur qui était assez chaud l'année dernière et semble devenir rouge chaud cette année », a-t-il noté. L'industrie a historiquement penché vers le marquage par micro-percussion, a-t-il ajouté, compte tenu des réglementations qui dictent le marquage à faible contrainte. « Nous voyons une montée d'intérêt de l'industrie aérospatiale pour marquer un plus grand nombre de pièces et des projets beaucoup plus importants qui arrivent. »

Bien que ces projets tendent à venir de plus grands acteurs, de plus petits fabricants personnalisés viennent aussi sur le devant de la scène — ce qui incite Dapra à introduire une ligne de produits pour répondre à leurs besoins.

« Je viens juste d'être à une installation en Floride où nous avons vendu un laser à un petit fabricant médical » avec seulement un employé et demi, s'est-il souvenu. « Il fabrique des goupilles de traction, plateaux chirurgicaux, vis osseuses et plus. Dans le passé, les lasers étaient trop chers pour un petit acteur comme ça ; plus maintenant. C'est un nouveau monde et nous avons des solutions pertinentes. »

Alors que les prix des lasers baissent, Noonan a dit que Dapra s'attend à une année encore plus grande en 2019 alors que plus de fabricants sont capables d'ajouter le marquage laser à leur répertoire.

Un domaine de croissance notable a été le marquage automatisé des plastiques, a-t-il dit. Une usine de moulage par injection « retire de deux à quatre pièces d'un moule et les présente une à la fois à un laser en ligne pour marquer une datamatrix. » Le système confirme la lisibilité des marques avant que les pièces ne soient emportées ou, si illisibles, le système actionne une séquence pour exécuter un second marquage.

Et, au cours de l'année passée, les fabricants d'engrenages se sont tournés vers les systèmes de marquage laser Dapra à la place du micro-percussion pour réduire leurs coûts « grandement, et ils sont ravis de la valeur de production que les lasers ont apportée. »

Alors que le marquage par micro-percussion est moins coûteux, il apporte des problèmes de maintien de pièce et d'usure de la pointe de marquage en carbure avec une dégradation résultante de la clarté du marquage. « La méthode sans contact du marquage laser est vraiment supérieure et adoptée pour de bonnes raisons : vous n'avez pas de pièces qui s'usent, et vos marques sont incroyablement répétables et fiables. »

Solutions pilotées par les données

Suivre toutes ces données marquées est aussi important que de faire les marques, et le transfert aller-retour d'informations critiques entre logiciels et dispositifs de marquage est un élément clé dans la conception du système. Créer et sécuriser cette chaîne de communication bidirectionnelle est essentielle pour permettre aux ingénieurs de fabrication et aux responsables du maintien de la productivité en atelier de suivre les données pertinentes, a affirmé Dave Sweet, président de Mecco, Cranberry Township, Pennsylvanie.

Par exemple, pour des composants aérospatiaux marqués au laser pour Honeywell, « nous obtenons des données variables d'une base de données système. Le logiciel d'entreprise nous envoie cette information, et nous ne marquons pas seulement les pièces mais utilisons aussi des systèmes de vision pour vérifier que l'information que nous avons marquée sur les pièces correspond à ce qui nous a été envoyé. » Le système de Mecco génère alors un rapport qui est stocké pour que le gouvernement enregistre ces IUD.

Selon l'étude de cas de Mecco sur le projet Honeywell, le système laser à fibre SMARTmark 20 W « se branche n'importe où en utilisant 120 VDC et occupe la moitié de l'empreinte du vieux YAG à plateau. » Aussi, les notifications de qualité liées au marquage et les retours qui coûtaient 2 500 $ par incident ont chuté de façon significative.

Dans le monde automobile, Sweet a noté, les pièces liées à la sécurité et celles de certains montants en dollars obtiennent des marques d'identifiant unique — toutes tracées jusqu'au numéro d'identification du véhicule. Cela inclut les arbres à cames, vilebrequins, blocs, carters de transmission et même connecteurs. Après avoir marqué ces composants avec des codes-barres, ces « relations parent-enfant » sont enregistrées dans une base de données qui finit par lier toute cette information au NIV.

La connectivité des systèmes de marquage s'étend de plus en plus à opérer aux côtés de robots collaboratifs, ou cobots. MECCO a récemment installé un système qui utilise un cobot pour prendre des pièces d'un plateau puis les tenir pour le scan par un système de vision. Le système de vision envoie l'information au marqueur laser, puis le cobot amène la pièce au laser pour le marquage. Après qu'un côté est marqué, le cobot amène la pièce à une caméra pour vérifier que les marques sont précises avant que chaque autre côté de la pièce ne soit marqué.

« Le besoin de traçabilité continue de croître », a dit Sweet. « Les clients cherchent plus des systèmes basés sur des solutions que juste un laser dans une boîte », signifiant que le marché pour des approches modulaires, basées sur la configuration pour répondre à des besoins de plus en plus spécifiques de flexibilité de fabrication continuera de croître.

Mecco base généralement environ 80 % de ses systèmes sur quatre tailles d'enceintes de base auxquelles peuvent être ajoutés des plateaux rotatifs de 6, 18, 24 ou 36 po (152, 457, 610 ou 914 mm) qui font circuler continuellement de nouvelles pièces à marquer. Chaque enceinte a aussi l'option d'une table X-Y. Les autres environ 20 % des systèmes de Mecco peuvent être personnalisés, incluant avec des interfaces graphiques utilisateur épurées qui permettent aux opérateurs de charger et surveiller les travaux.

Par exemple, un client récent fabricant d'outils avait besoin de couvrir un plateau de 30 x 30 po (762 x 762 mm), ce qui requérait l'enceinte extra-large de Mecco et un système de portique X-Y-Z. « Au lieu d'avoir à acheter plusieurs lasers, ils ont pu en acheter un, charger ce système, appuyer sur go, et s'en aller. »

Dans un autre cas, une entreprise de compteurs d'eau a utilisé une combinaison de micro-percussion et marquage laser avec un poste de travail rotatif à quatre positions. Un boîtier en laiton avait un numéro de série marqué par micro-percussion, et un laser dupliquait ce numéro de série sur le couvercle en plastique noir.

Une conception de système appropriée porte clairement ses fruits, comme dans le cas d'un client médical de Mecco qui a mis à niveau de vieilles diodes laser vers un système à fibre et a vu le temps de cycle global de la machine chuter de 18 secondes à moins de 11 secondes, avec une meilleure qualité de marque permettant une meilleure inspection visuelle avec des scanners portables.

Ajoutez à cela le fait que Sweet voit plus de petits ateliers investir dans des robots pour accompagner leurs systèmes, et il est clair que le marquage laser est devenu et continuera de se développer comme une opération industrielle robuste et indispensable.