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Une machine de gravure laser se compose de trois parties principales: un laser, un contrôleur et une surface. Le laser est un outil de dessin: le faisceau qu’il émet permet au contrôleur de tracer des motifs sur la surface. Le contrôleur détermine la direction, l’intensité, la vitesse de déplacement et la propagation du faisceau laser dirigé vers la surface. La surface est choisie pour correspondre au type de matériau sur lequel le laser peut agir.
Il existe trois genres principaux de machines à graver. La plus courante est la table X–Y où, généralement, la pièce (surface) est stationnaire et l’optique laser se déplace en deux dimensions, dirigeant le faisceau laser pour dessiner des vecteurs. Parfois, le laser est immobile et la pièce se déplace. Parfois, la pièce se déplace dans un axe et le laser dans l’autre. Un deuxième genre concerne les pièces cylindriques (ou les pièces plates montées autour d’un cylindre) où le laser traverse efficacement une hélice fine tandis que l’impulsion laser marche–arrêt produit l’image matricielle souhaitée. Dans le troisième genre, le laser et la pièce sont fixes et les miroirs galvo déplacent le faisceau laser sur la surface de la pièce. Les graveurs laser utilisant cette technologie peuvent travailler en mode raster ou vectoriel.
Le point où le faisceau laser touche la surface doit être sur le plan focal du système optique du laser et est généralement synonyme de son point focal. Ce point est généralement petit, peut-être inférieur à une fraction de millimètre (selon la longueur d’onde optique). Seule la zone à l’intérieur de ce point focal est affectée de manière significative lorsque le faisceau laser passe sur la surface. L’énergie délivrée par le laser modifie la surface du matériau au point focal. Il peut chauffer la surface et ensuite vaporiser le matériau, ou peut-être que le matériau peut se fracturer (appelé « glassing » ou « glassing up ») et s’écailler de la surface. La découpe de la peinture d’une pièce métallique est généralement la manière dont le matériau est gravé au laser.
Si le matériau de surface est vaporisé pendant la gravure au laser, une ventilation à l’aide de ventilateurs ou d’une pompe à vide est presque toujours nécessaire pour éliminer les fumées nocives et les fumées résultant de ce processus, et pour éliminer les débris sur la surface pour permettre au laser de continuer la gravure.
Un laser peut éliminer un matériau très efficacement car le faisceau laser peut être conçu pour fournir de l’énergie à la surface d’une manière qui convertit un pourcentage élevé de l’énergie lumineuse en chaleur. Le faisceau est très focalisé et collimaté — dans la plupart des matériaux non réfléchissants comme le bois, les plastiques et les surfaces en émail, la conversion de l’énergie lumineuse en chaleur est plus que {x%} efficace. Cependant, en raison de cette efficacité, l’équipement utilisé en gravure laser peut chauffer assez rapidement. Des systèmes de refroidissement élaborés sont nécessaires pour le laser. Alternativement, le faisceau laser peut être pulsé pour diminuer la quantité d’échauffement excessif.
Différents motifs peuvent être gravés en programmant le contrôleur pour parcourir un chemin particulier pour le faisceau laser au fil du temps. La trace du faisceau laser est soigneusement réglée pour obtenir une profondeur d’enlèvement constante du matériau. Par exemple, les chemins croisés sont évités pour s’assurer que chaque surface gravée n’est exposée au laser qu’une seule fois, de sorte que la même quantité de matériau est éliminée. La vitesse à laquelle le faisceau se déplace à travers le matériau est également prise en compte dans la création de motifs de gravure. La modification de l’intensité et de la propagation du faisceau permet une plus grande flexibilité dans la conception. Par exemple, en changeant la proportion de temps (appelée « rapport cyclique ») que le laser est allumé pendant chaque impulsion, la puissance délivrée à la surface de gravure peut être contrôlée de manière appropriée pour le matériau.
Étant donné que la position du laser est connue exactement par le contrôleur, il n’est pas nécessaire d’ajouter des barrières à la surface pour empêcher le laser de s’écarter du motif de gravure prescrit. En conséquence, aucun masque résistif n’est nécessaire en gravure laser. C’est principalement pour cette raison que cette technique est différente des anciennes méthodes de gravure.
La ligne de production est un bon exemple de l’adoption de la technologie de gravure au laser dans la norme de l’industrie. Dans cette configuration particulière, le faisceau laser est dirigé vers un miroir rotatif ou vibrant. Le miroir se déplace d’une manière qui peut tracer des chiffres et des lettres sur la surface à marquer. Ceci est particulièrement utile pour imprimer les dates, les codes d’expiration et la numérotation des lots de produits circulant le long d’une chaîne de production. Le marquage laser permet de marquer les matériaux en plastique et en verre « en mouvement ». L’endroit où le marquage a lieu est appelé « station laser de marquage », une entité souvent présente dans les usines d’emballage et d’embouteillage. Les technologies plus anciennes et plus lentes telles que l’estampage à chaud et la tampographie ont été en grande partie éliminées et remplacées par la gravure au laser.
Pour des gravures plus précises et visuellement décoratives, une table laser (également appelée table « X–Y » ou « XY ») est utilisée. Le laser est généralement fixé en permanence sur le côté de la table et émet de la lumière vers une paire de miroirs mobiles afin que chaque point de la surface de la table puisse être balayé par le laser. Au point de gravure, le faisceau laser est focalisé à travers une lentille sur la surface de gravure, ce qui permet de tracer des motifs très précis et complexes.
Une configuration typique d’une table laser implique le laser fixe émettant de la lumière parallèlement à un axe de la table en direction d’un miroir monté à l’extrémité d’un rail réglable. Le faisceau se réfléchit sur le miroir incliné à 45 degrés de sorte que le laser parcourt un trajet exactement le long du rail. Ce faisceau est ensuite réfléchi par un autre miroir monté sur un chariot mobile qui dirige le faisceau perpendiculairement à l’axe d’origine. Dans ce schéma, deux degrés de liberté (un vertical et un horizontal) pour la gravure peuvent être représentés.
Dans d’autres dispositifs de gravure laser tels que la gravure sur table plate ou sur tambour, le faisceau laser est contrôlé pour diriger la majeure partie de son énergie à une profondeur de pénétration fixe dans le matériau à graver. De cette manière, seule une profondeur de matériau particulière est enlevée lors de la gravure. Un simple bâton usiné ou un cornière peut être utilisé comme outil pour aider les technologues formés à ajuster le graveur pour obtenir la mise au point requise. Cette configuration est préférée pour les surfaces dont la hauteur ne varie pas sensiblement.
Pour des surfaces de hauteur variable, des mécanismes de focalisation plus élaborés ont été développés. Certains sont connus sous le nom de systèmes de mise au point automatique dynamique. Ils ajustent les paramètres de lasage en temps réel pour s’adapter aux changements du matériau lors de sa gravure. En règle générale, la hauteur et la profondeur de la surface sont surveillées à l’aide de dispositifs qui suivent les modifications apportées à la lumière ultrasonore, infrarouge ou visible dirigée vers la surface de gravure. Ces dispositifs, appelés faisceaux pilotes ou lasers pilotes (si un laser est utilisé) aident à guider les réglages effectués sur la lentille du laser pour déterminer le point optimal pour se concentrer sur la surface et éliminer efficacement le matériau.
Les machines de gravure laser « X–Y » peuvent fonctionner en mode vectoriel et raster.
La gravure vectorielle suit la ligne et la courbe du motif à graver, un peu comme un traceur à la plume dessine en construisant des segments de ligne à partir d’une description des contours d’un motif. Les premières gravures de signes et de plaques (laser ou autres) utilisaient des contours de police pré-stockés afin que les lettres, les chiffres ou même les logos puissent être mis à l’échelle et reproduits avec des traits exactement définis. Malheureusement, les zones de « remplissage » étaient problématiques, car les motifs de hachures croisées et les remplissages de points présentaient parfois des effets de moiré ou des motifs uber causés par le calcul imprécis des espacements de points. De plus, les rotations d’une police ou la mise à l’échelle dynamique dépassaient souvent les capacités du dispositif de rendu des polices. L’introduction du langage de description de page PostScript permet désormais une plus grande flexibilité – désormais, pratiquement tout ce qui peut être décrit dans des vecteurs par des logiciels compatibles PostScript comme CorelDRAW ou Adobe Illustrator peut être décrit, rempli de motifs appropriés et gravé au laser.
La gravure Raster trace le laser sur toute la surface dans un motif linéaire à progression lente qui rappellera la tête d’impression d’une imprimante à jet d’encre ou similaire. Le motif est généralement optimisé par le contrôleur / ordinateur afin que les zones de chaque côté du motif qui ne doivent pas être gravées soient ignorées et que la trace à travers le matériau soit ainsi raccourcie pour une meilleure efficacité. La quantité d’avance de chaque ligne est normalement inférieure à la taille réelle du point du laser; les lignes gravées se chevauchent légèrement pour créer une continuité de gravure. Comme c’est le cas pour tous les dispositifs rastérisés, les courbes et les diagonales peuvent parfois souffrir si la longueur ou la position des lignes raster varie même légèrement par rapport au balayage raster adjacent; par conséquent, le positionnement exact et la répétabilité sont d’une importance cruciale pour la conception de la machine. L’avantage de la rastérisation est le « remplissage » presque sans effort qu’il produit. La plupart des images à graver sont des lettres en gras ou ont de grandes zones gravées en continu, et celles-ci sont bien pixellisées. Les photos sont rastérisées (comme en impression), avec des points plus grands que celui du point du laser, et ceux-ci sont également mieux gravés comme une image raster. Presque tous les logiciels de mise en page peuvent être utilisés pour alimenter un pilote raster pour un graveur laser X–Y ou tambour. Alors que la gravure traditionnelle de signes et de plaques avait tendance à privilégier les traits solides des vecteurs par nécessité, les magasins modernes ont tendance à utiliser leurs graveurs laser principalement en mode raster, réservant le vecteur pour un « look » de contour traditionnel ou pour marquer rapidement les contours ou les « hachures » où une plaque doit être découpée.