Brevet FR2744066A1 — publié le 19970801

PROCEDE D'IMPRESSION LASER Domaine technique La présente invention concerne le marquage d'articles ou d'autres pièces, et plus particulièrement des procédés de marquage au laser ou d'impression au laser d'une pièce, les articles qui en résultent et des compositions qui sont utilisées pour mettre en oeuvre ces procédés. Etat de la technique Le transfert de textes et de graphiques sur des métaux, des matières plastiques, du bois ou des objets composites, est habituellement réalisé par gravure mécanique (suivie de r l'application d'une peinture), ou par peinture en surface. La gravure mécanique, par exemple d'un article métallique, suivie d'un reeplissae par une peinture' est souvent une opération difficile en plusieurs étapes. Habituellement, l'article (i) subit une gravure mécanique à l'aide d'un système de gravure utiEsant un dur, (ii) il est ébavuré, nettoyé et séché, (iii) il est rempli d'un peinture en poudre peinture à base d'un solvant, (iv) il est durci dans un four, et (v) il est ensuite nctt pr éliminer la penture en excès qui s'est déposée à l'extérieur des zones gravées. Une majorité de systèmes de gravure mécanique sont limités à la gravure de surfaces planes. En outre, les fortes limitations aux outils de coupe mécanique limitent leur dimtre minimal, et donc la largeur des traits. Dans de nombreux cas, les métaux, en particulier les aciers alliées à haute teneur en nickel, exigent de faibles vitesses de traitemern, avec raide de fluides de coupe. L'utilisation de ces fluides exige une opération de nettoyage avant application de la peinture. L'opération de remplissage par une peinture peut être très difficile, en particulier avec des graphiques cornplexes.La mise en place de la peiaaae, 9 ce stade, est très importante, car une mauvaise mise en place, ou un remplissage trop important, vont exiger des opérations difficiles de nettoyage après que la peinture a été durcie au fouir. Certains métaux, tels que l'acier inoxydable à finition spéculaire ou le laiton, se rayent très facilement ; ainsi, il faut apporter des soins particuliers de façon à ne pas endommager ces surfaces pendant les opérations de remplissage de peinture et de nettoyage. Malgré le long temps nécessaire, le texte et les graphiques ayant subi une gravure mécanique sont durables et permannts. Quand il est rempli d'une peinture colorée, le produit final a une grande durée de conservation et est esthétiquement agréable. L'application d'une peinture en surface met en jeu le transfert d'un texte et de graphiques sur les surfaces d'une pièce par utilisation d'un écran de soie ou de techniques de jet d'encre. L'application d'une peinture en surface peut être faite très rapidement, et dans une large gamme de couleurs Cependant, dans de nombreux cas, les inventeurs de la présente invention pensent qu'un défaut de durabilité ou de permanence, ce dont on a besoin dans le cas d'une utilisation à long terme, comme par exemple pour les marquages intérieurs des cabines d'ascenseur, constitue un inconvénient majeur Plus récemment, des techniques de gravure par un laser et de marquage par un laser ont été mises au point pour remplacer tant la gravure mécanique que la peinture en surce des matériaux tels que les métaux, les plastiques, les composites ou le bois. Les systèmes classiques de gravure par un laser utilisent par exemple un laser au Nd-YAG ou un laser à C()2. Un montage motorisé entraîné par un galvanomètre, ou un ensemble à structure X-Y, oriente un faisceau laser focalise sur la surface d'une pièce. Les systèmes de gravure laser fonctionnent parfaitement en tant qu'outils de gravure univeesels, en particulier pour les gravures complexes, en raison de leur fine largeur de trait X (de 76 à 254 pu, de 0,003 à 0,010"), et pour assurer une gravure dans des surfaces modérément contournées. Comme la gravure laser est un procédé sans contact, les problèmes associées à la gravure mécanique, tels que l'usure des outils et le réaffutage, h rupture des outils, les réfngérants et fluides de coupe, et la fixation des pièces, En outre, une gravure relativement rapide des pièces est possible avec les systèmes de gravure au laser.Cependant, même avec les systèmes connus de gravure au laser, il y a une limitation importante à la profondeur de gravure dans des matériaux denses tels que l'acier inoxydable ou le laiton La définition des bords subit une forte dégradation avec la profondeur, en raison du dépôt, par exemple, de métal refondu. On a besoin, pour l'opération ulténeure de remplissage par une peinture' d'une profondeur minimale d'environ 254 m (0,010") e 10 /O). Ceci exige un ébavurage et un nettoyage des zones gravées, avant tout remplissage par une peinture.L'opération de remplissage par une peinture après une gravure laser est encore plus difficile que pour une gravure mécanique, car cette opération comprend l'application d'une peinture, le durcissement de la peinture, puis l'enlèvement de la peinture en excès, et tout ça, sans endommager les surfaces finies. Les peintures en poudre, au contraire des pentures liquides, sont luus aisées à utiliser, mais, d'une manière représentative, opération globale de remplissage par une peinture est une opération compliquée en plusieurs étapes. Le marquage par un laser représente une solution de remplacement à la peinture en surface ou à la gravure (mécanique ou laser) combinée à un remplissage par une peinture. Ce marquage dépend des contrastes produits en un point où le faisceau laser heurte la surface du matériau. Pour arriver à un bon contraste, la puissance du laser peut être optimisée pour produire des oxydes bruFfoncé ou noirs sur des surs métalliques briSantes, ou pour éliminer les oxydes colorés ou les peintures se trouvant sur des parmeiiux prétraités, dans le but d'exposer un substrat de contraste plus clair. Dans de nombres applications, le marquage par un laser donne de bons résultats.Cependant, comme avec l'écran de soie ou les techniques d'impression au jet d'encre, la durabilité limitée ou la pennanence limitée du marquage excluent d'une manière efficace l'utilisation de techniques connues de marquage par un laser, dans des applications telles qu'une utilisation dans le marquage de l'intérieur des cabines d'ascenseur, car ces marquages sont souvent soumis à un fort contact par abrasion, par exemple avec les mains des passagers de l'ascenseur. De plus, l'absence de cortaste, qui se produit quand on observe en vision oblique les rnarquages superficiels sur des métaux brillants, semble pour les inventeurs de la présente invention présenter un inconvénient supplémentaire des techniques connues de marquage laser pour les applications dans les systèmes d'ascenseur.Pour une discussion de certains systèmes et certaines techniques connues de marquage au laser, voir par exemple industriaiStr-1 Laser Markmg: Turmng Photons into Dollars publié par Control Laser Corporation, Orlando, Floride (1992), cette publication étant incorporée ici dans sa totalité à titre de' réfaence. ElDo sommaire de invention Les inventeurs de la présente invention pensent qu'il est possible de réaliser des améliorations par rapport aux techniques connues de marquage par un laser. Le ;woc6dô selon la présente invention est utilisé pour imprimer un texte ou des graphiques dans de nombreux types de matériau parmi lesquels les métaux, les plastiques, les compotes ou le bois.Le procédé selon l'invention conduit à une durabilité et à une permanence qui habituellement sont associées à la gravure mécanique, en donnant une vitesse, un contraste et une flexibilité de couleur qui normalement sont associés aux techniques de peinture en surface. Le procédé d'impression laser de la présente invention utilise un système classique de marquage par un laser, modifié comme discuté ci-après, d'abord en tant qu'outil de gravure sur une faible épaisseur, puis en tant que source thermique focalisée, pour iåire fondre un matériau de remplissage en poudre fine, (par exemple un matériau polymère approprié) dans des zones préalablement gravées.Par exemple, on utilise un matériau de remplissage de type polyester ou époxy. Le chauffage et le durcissanent extrêmement localisés du matériau de remplissage au moyen de l'énergie du laser élimine une application fatigante, le temps de durcissment au four et les opérations de post-nettoyage associées aux procédés classiques de gravure mécanique et de gravure laser, qui sont suivis d'un remplissage par une peinture. Ainsi, le temps de traitement de la pièce en oeuvre dans le procédé selon l'invention subit une réduction importante, avec une amélioration de la possibilité de produire des marquages permanents, esthétiquement agréables.Enfin, les inventeurs de la présente invention pensent que le procédé selon l'invention réduit pour ainsi dire tous les déchets dangereux en éliminant tous les fluides de procédé associés aux procédés connus de marquage décrits ci-dessus. Selon une forme de réalisation préférée de la présente invention, le procédé d'impression d'une piéce comprend les étapes consistant à mettre à disposition une pièce, à appliquer un laser å la pièce pour créer un creux, à déposer un matériau fusible par un laser dans le creux puis à appliquer un laser au matériau de façon à fixer le matériau dans le creux. Un objet principal de la présente invention consiste à imprimer une pièce d'une manière efficace. Un autre objet de la présente invention consiste à produire une pièce comportant des empreintes ayant une durabilité et une permanence améliorées. Un autre objet de la présente invention consiste à user une énergie émise (rayonnée) par un laser pour créer un creux dans une pièce, et aussi pour fondre dans la pièce un matériau de remplissage coloré. Encore un autre objet de la présente invention consiste à mettre à disposition une 4 composition chimique fusible par un laser, pour le matériau de remplissage. Encore un autre objet de la présente invention consiste à réduire la création de déchets dangereux pendant l'impression au laser d'une pièce. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après et des figures annexées, qui représentent des exemples de réalisation de l'invention. Dcsaiotion rommrire des fimues La figure 1 est un organigramme logique de haut niveau, décrivant un procédé préféré selon la présente invention Les figures 2A, 2B, 2C et 2D sont des vues en perspective d'une pièce W (figure 2A), la pièce W comportant un creux ou un canal C (figure 2B), une certaine quantité ou une couche mince d'un matériau de remplissage P fusible par un laser étant disposée dans le canal C (figure 2C), et une couche L formée par fission au laser du matériau de remp P étant placée dans le canal (figure 2D). La figure 3 est un diagramme schématique d'un système classique de marquage laser, qui a été modifié pour englober un système de distribution du matériau de remplissage selon un aspect préféré de la présente invention La figure 4A est une vue de côté et la figure 4B est une vue de dessus du système de distribution du matériau de remplissage de la figure 3. E:xDosé dépilé de invention Un procédé préféré selon la présente invention est présenté sur la figure I (étapes A à D) et dans les vues en perspective de la pièce (W) des figures 2A à 2D. Un laser commandé par un ordinateur grave un graphique ou un texte dans la pièce W. La pièce est par exemple formée d'un métal, d'un plastique, de bois ou dsun composite, et elle est disposée sur une table 14. Voir les étapes A et B de la figure 1, les figures 2A, 2B et la figure 3. Une fàible profondeur (par exemple 25 à 127 ,um, 1 à 5 mils) de la gravure est déterminée par la permanence requise du marquage ou de l'impression dans le matériau. La morphologie ou la rugosité superficielle de la zone gravée sont adaptées de façon à donner un "lit" approprié pour une fusion ultérieure d'un polymère.Par exemple, un canal gravé C (figure 2B) ou un autre creux, éventuellement allongé, est hachuré (d'une manière non représentée) pour créer une zone de maintien supplémentaire, qui va être remplie d'un matériau polymère P, qui est fixé sous forme d'une couche L dans le canal C pendant rétape de fusion D. Ou bien encore, le faisceau laser est commandé dans l'étape B pour créer un creux (non représenté) dans la surface gravée, de façon à permettre la formation de racines polymères (non représentées), dans le but d'assurer un ancrage plus sûr du matériau polymère fondu. Dans l'étape C, une couche mince d'un matériau polymère P fusible par un laser (par 4 exemple une peinture ou une poudre) est placée ou disposée dans le texte ou le graphique qui a été gravé dans rétape B. La poudre est disposée manuellement, mais elle déposée automatiquement au moyen d'un système de distnbution 18. La poudre polymère P, noire ou autrement colorée, est formulée pour fondre par absorption par dc réagie lumineuse d'un laser infrarouge proche (Nd-YAG) ayant une longueur d'onde par exemple d'environ 1 x 10-6 m.Chaque granulé de la poudre a un diamètre moyen per exemple de 1 x 10-6 m, et la couche mince de la poudre polymère P a une pmfbndair moyenne, par exemple de 76 llm (3 mils). Le faisceau laser est commandé de façon à suivre le texte ou le graphique gravé, les paramètres du laser étant réglés de façon à provoqz la fusion du polymère en poudre dans le texte ou le graphique gravé (étape D). L'étape extremeinent localisée du faisceau laser fait fondre le polymère en poudre, mais seulement dans les zones gravées.Cette fusion conduit à la création dune couche de polymère fendu L (figure 2D). Eventuenement, après la fin de la première opération de retraçage, une autre couche de la poudre polymère P est ajoutée au matériau polymère précédemment fondu et déposé, et les étapes C et D sont répétées. Ce mode opératoire se poursuit jusqu'à ce quine profondeur souhaitée d du matériau déposé soit contenue dans la zone graphique ou la zone texte gravée. Voir figure 2D. De préférence, on utilise une poudre polymère noire ayant la composition chimique suivante: Portion mmeure, commercialisée par Xerox Corporation sous le nom de toner Xerox 5760/65/90. Polyester, RI-[R2COO]nR3 Noir de carbone, C Dioxyde de titane, Ti()2. Portion principale, commercialisée par Oasis lmagîng Products sous le nom de toner Oasis Sierra EX Polymère styrène-acrylique, R-[CH2CH(C6H5)x-[CH2CH(COOR2)]y-R3 Oxyde de fer, Fq04 Polyoléfine, RI-[CH2CHR21n-R3 Silice, SiO2 Dans une forme de réalisation de la poudre P, la composition comprend un mélange du toner Xerox 5760/65/90 en tant que constituant mineur, et du toner Sierra EX en tant que constitLiant principal. De préférence, le constituant mineur représente de 5 à 20 % en poids du mélange total.Le premier toner produit une finition à brillant élevé, tandis que le derier toner produit une finition semibrillante. En conséquence, une oon du pWage du toner Xerox conduit à une augmentation du degré de finition brillante. Quand la totalité du texte et/ou des graphiques a été imprimée par le laser, l'éventuelle poudre polymère en excès (n'ayant pas fondu) est éliminée (par exemple à la brosse ou par aspiration, non représenté) avant enlèvement de l'article fini. Le temps total * pour produire une pièce finie (un article), qui dépend de la complexité de l'impression, est de l'ordre de quelques minutes pour la présente invention, par comparaison à une durée t habituelle de plusieurs heures, qui est nécessaire dans les techniques classiques de gravure. Une autre forme de réalisation préférée du procédé selon la présente invenoti comprend par exemple les étapes 1 à 9 ci-après: ' X 1. Mettre en place dans le systéme d'impression laser la pièce W à imprimer (figure 3). 2. Régler les paramètres de ralimentation du 10 et la vitesse de déplacenent du faisceau laser, de façon à réaliser une gravure des creux du texte et des creux des graphiques dans la pièce. Eventuellement, procéder à plusieurs passes avec le laser, pour réaliser une profondeur de gravure correspondant aux exigences de l'application. 3. Régler les paaamrres d'alimentation du laser 10 et la vitesse de déplacmat du faisceau laser pour réaliser une action de nettoyage (par exemple d'eiage) de la zone gravé. Procéder à une passe de nettoyage sur les zones gravées. Cette opération de nettoyage supprime des zones gravées le matériau en excès (par exemple le métal) qui a rendu. 4. Régler les paramètres d'alimentation du laser 10 et la vitesse de déplaornnt du faisceau laser pour créer dans les zones gravées la morphologie superficielle souhaitée. Procéder à une passe de préparion superficielle sur les zones gravées. Régler la morphologie ou la rugosité superficielle pour réaliser les racines voulues dans le matériau de remplissage fusible sous l'action d'un laser 5. Traiter les zones gravées de la pièce à raide d'une haute pression (par exemple environ 517 kPa, 75 psi) d'un gaz comprimé séché ou d'un autre fluide (par exemple rait ou un gaz inerte tel que l'azote), pour enlever des zones gravées le matériau lâche. Le matériau lâche peut affecter d'une manière indésirable l'adhérence du matériau de remplissage aux zones gravées. 6. Déposer (par exemple étaler) une couche fine du matériau de remplissage sur les zones gravées, en utilisant, par exemple, líunité d'application de polymère (système de distribution de polymère, figures 3 et 4). 7. Régler les paramètres d'alimentation du laser 10 et la vitesse de déplacement du faisceau laser de façon à provoquer la fusion du matériau de remplissage colorant. Procéder à une passe de fission sur les zones gravées. 8. Eventuellement, répéter les étapes 6 et 7 ci-dessus jusqu'à obtention de l'épaisseur/profondeur d souhaitée de matière de remplissage. 9. Quand la fusion est terminée, éliminer (par exemple par brossage ou aspuation) de la pièce le matériau de remplissage en excès, pour récupération. Puis rincer la pièce avec de Peau ou un autre fluide approprié, puis sécher la pièce (par exemple en essuyant le fluide). On a ainsi terminé l'opération d'impression de la pièce correspondant à rautre for 4 de réalisation préferée. Les figures 3,4A et 4B présentent les constituants d'un système dmpr-n laser préféré destiné à mettre en oeuvre le procédé préféré ou particulierement préfEré de la présente invention. Ces constituants sont explicités ci-après. 10. Source de laser à Nd-YAG ou CO2, commandée par un ordinateur. Les paramètres spécifiques de la source d'alimentation (par exemple puissance moyte, puissance de crête, fréquence des impulsions, mode ou modes de sortie du faisceau laser taille du spot focalisé) sont choisis pour conduire aux caractéristiques souhaitées de traitement de la pièce et du matériau de remplissage. 12. Appareil d'orientation du faisceau laser, commandé par un ordinateur et comprenant: - des miroirs d'orientation des faisceaux X X et Y, commandés par un galvanomètre, avec focalisation du faisceau laser grâce à un système de lentilles aplanétiques; - des portiques X-Y, qui déplacent les eléments optiques à effet miroir ; et - des optiques drémission d'un faisceau laser fixe, le mouvement de la pièce se faisant par l'intermédiaire de la table X-Y 14 commandée par un ordinateur. 14. Table X-Y commandée par un ordinateur, pour la manipulation de la pièce. 15. Commande du chariot. 16. Système d'extraction des fumées, commandé par un ordinateur, pour élime pendant le traitement les matériaux vaporisés et les fiunées. 17. Rails de guidage. 18. Système de distribution du polymère, commandé par un ordinateur. 19. Vis à billes. 20. Enceinte pour confiner les fumées et pour la sécurité du laser. 21. Ouverture réglable. 22. Interface opérateur et logiciel d'application pour les opérations dinpression, comprenant par exemple un logiciel pour effectuer les étapes B, C et D de la figure 1. Ce logiciel est convenablement mémorisé d'une manière classique dans la mémoire de l'ordinateur de commande 24. 24. Ordinateur de commande, comprenant une unité centrale, une mémoire (RAM, ROM, etc.), des ports d'entrée/sortie, des bus, des contrôleurs, des dispositifs d'entrée (par exemple clavier, souris) et des dispositifs de sortie (par exemple affichage, imprimante). L'homme du métier spécialisé en informatique et dans le marquage laser pourra, au vu de cette description, coder et mémoriser convenablement le logiciel, ainsi que toutes autres données et instructions d'ordinateur appropriées, dans une mémoire de l'ordinateur 24, de façon à commander convenablement le faisceau laser, la table, le système d'extraction des filmées et le système de distibunon du matériau de remplissage pour réaliser toutes les étapes 1 à 9, et mettre en oeuvre la présente invention. Par exemple, le système de distribution du polymère (matériau de remplissage) (figures 4A, 4B, 3) est construit facilement et peut être intégré dans un système de marquage laser YAG Hi-k 400, construit et commercialisé par General Scanniag Inc.Le système est ensuite convenablement programmé d'une manière aisée pour exécuter tout ou partie des étapes de la présente invention, mais en particulier pour exécuteur l'étape D (figure 1 1), matériau de remplissage dans le creux par une liaison chimique et/ou une fixation qui résulte de l'application d'un laser au matériau de remplissage. Les inventeurs de la présente invention ont trouvé que les paramétres sunts du laser (puissance du faisceau, vitesse de déplacement du faisceau, etc.) sont particulièrement utiles lors de limpression d'un substrat métallique tel qu'une pièce en acier inoxydable avec un matériau polymère fusible ayant la composition donnée ci-dessus : Pour la gravure: 23 watts, taux d'impulsions 15 kHz, vitesse de déplast du fáisceau 240 mm/s; Pour la fusion: watt, taux d'impulsions 50 kHz, vitesse de déplacement du faisceau 240 mm/s ; ce qui donne un creux ayant une profondeur d'environ 76 'Lm (3 mils). L'épaisseur du matériau de remplissage non fondu P est d'environ 76 Cun (3 mils). Bien entendu, Invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation cl-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Par exemple, le matériau de remplissage peut etre une peinture appropriée quelconque, sèche ou même liqrade ; la source du laser peut comprendre en tant que milieu laser un cristal approprié, un gaz, du verre, un liquide ou un semi-conducteur appropriés. REVENDICATIONS 1. Procédé d'impression dùne pièce (W), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: - mettre une pièce (W) à disposition - appliquer un laser sur la pièce (W) pour créer un creux (C); - déposer un matériau (P) fusible sous l'effet d'un laser dans le creux (C); puis à - appliquer un laser au matériau (P) de façon à fixer le matériau (P) dans le creux (C). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape d'application d'un laser au matériau (P) comprend l'application din laser sur le matériau (P) de façon à fondre ce matériau (P) dans la pièce (W). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à enlever de la pièce (W) tout matériau (P) en excès, après ladite étape d'application d'un laser au matériau (P). 4. Procédé d'impression d'une pièce (W) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le creux (C) est un canal et en ce que le matériau (P) fùsible par un laser est une peinture. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape d'application d'un laser à la peinture (P) comprend l'application à la peinture (P) d'un laser ayant une énergie dans l'infrarouge proche. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau fusible (P) est une composition fusible par un laser comprenant: - un constituant mineur qui comprend un polyester, du noir de carbone et du dioxyde de titane, et - un constituant principal, qui comprend un polymère styrène-acrylique, de l'oxyde de fer, une polyoléfine et de la silice. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le constituant mineur est présent en une quantité d'environ 5 à environ 20 % par rapport à la composition. 8. Pièce (W), caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Pièce (W), caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 3, en ce qu'elle comprend un substrat métallique ayant un creux (C), et en ce que le matériau (P) disposé dans ce creux (C) est un matériau polymère. 10. Pièce (W) selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit matériau polymère (P) comprend un polyester. 11. Pièce (W) selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit matériau polymère (P) comprend un époxy. 12. Pièce (W) selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que le creux (C) est allongé.