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1.Caractéristiques du jet d’encre

La tête d’impression jet d’encre du CP 460

La gamme des imprimantes First EIE séries CP460 comporte une tête d’impression jet d’encre de type piezoélectronique à 256 buses. Dans cette technologie chacune des 256 buses est combinée à une chambre en matériau piézo-électrique (PZT) qui en se déformant sous l’effet d’une impulsion électrique permet d’expulser une goutte d’encre par la buse.

L’impression se fait par le déplacement de la tête d’impression au dessus du panneau par passes successives interlacées. Quand une goutte d’encre entre en contact avec le PCB, elle crée un point rond. La qualité de l’impression dépend de la géométrie et du positionnement des gouttes.

Taille du point d’encre

La taille du point d’encre est définie par la construction de la tête d’impression : Les têtes haute résolution, soit 600 dpi, génèrent des gouttes de 30 ng ce qui se traduit par une taille de point de 80 µm alors que les têtes 300 dpi, haute vitesse, génèrent des gouttes de 80 ng pour des points de 130 µm. Néanmoins, la taille réelle du point d’encre peut varier selon les cas suivants :

l’effet de la compression produite par les 256 chambres PZT est ajusté pour chaque tête afin d’obtenir des points ayant une uniformité optimale ce qui implique que d’une tête à l’autre la taille moyenne des gouttes peut changer légèrement, mais pour une tête donnée la taille des gouttes est constante. Pour la tête haute résolution par exemple, la taille du point d’encre peut varier d’environ 70 µm à 100 µm.

la taille du point dépend de la surface sur laquelle il est projeté car l’encre peut se répandre plus ou moins en fonction de la tension de surface. Cependant, et c’est l’une des propriétés les plus intéressantes de l’encre Markem utilisée par le CP460, l’encre qui est chauffée dans la tête se fige immédiatement sur la surface froide et ne se répand pas avec le temps sur la grande majorité des masques de soudure.

Alignement des gouttes

Les 256 buses de la tête sont disposées en ligne au pas de 254 µm (en 600 dpi) ou 300 µm (en 300 dpi).

Les jets d’encre sont normalement expulsés de manière verticale avec une vitesse de 8 mètres seconde. Cependant, en réalité, la projection n’est pas parfaitement verticale et les gouttes d’encre peuvent être éjectées à des vitesses légèrement différentes. Ces deux facteurs ont une incidence non négligeable sur l’alignement des points d’encre sur les panneaux.

Deux autres facteurs influencent également l’alignement des gouttes :

 La distance d’impression : lorsqu’elle augmente, la déviation de la trajectoire verticale augmente également. Cet effet peut être minimisé en réduisant la vitesse de déplacement de la tête lorsque la distance augmente.
 L’effet bidirectionnel qui réfère au fait que la tête peut imprimer en allant de gauche à droite comme de droite à gauche. Dans ce cas il faut tenir compte du fait que le temps de chute des gouttes n’est pas négligeable et que donc des décalages de points d’impact des gouttes se produisent entre les deux directions d’impression.

Ces effets produisent des erreurs de positionnement de gouttes qui sont détaillées ci-dessous.

a) erreur due à la rectitude du jet

Figures 1 et 2 - Jet idéal et Jet dévié

L’erreur de perpendicularité du jet n’excède pas 30 milliradians et reste en dessous de 10 mrad le plus souvent. D’un aspect pratique, cela signifie que l’erreur de position E1a du point d’encre sera de 10 µm pour une distance d’impression D = 1 mm.

D = distance d’impression (en règle générale 1 – 1,5 ou 2 mm)
A = angle d’erreur (en règle générale 10 mrad)
E1a = erreur de placement de la goutte d’encre

b) erreur due à la variation de la vitesse d’éjection des gouttes

Figures 3 et 4 - Toutes les gouttes sont éjectées à la vitesse de 8 m/s et Une des gouttes est éjectée à une vitesse inférieure à 8 m/s.

Pendant l’impression, il y a un mouvement relatif entre la tête d’impression et le circuit (vitesse transversale). En conséquence, si une des gouttes d’encre est éjectée à une vitesse moindre, elle sera positionnée sur la surface avec une erreur E1b par rapport aux autres gouttes ce qui apparaîtra comme un défaut d’impression.

La variation de vitesse d’émission est d’environ ± 5% et sa contribution à l’erreur de positionnement des gouttes E1b dépend de la vitesse de déplacement relatif tête-panneau et de la distance d’impression mais dans tous les cas E1b reste faible (environ 5 µm).

Tableau 1

Le tableau 1 donne les valeurs maximales de E1 = E1a+E1b pour les vitesses de déplacement relatif tête-panneau et les distances d’impression utilisées par le CP400 First EIE.

c) Erreur due à l’impression bidirectionnelle

Figures 5 et 6 - Ligne imprimée avec des paramètres bi-directionels adaptés à une hauteur d’impression D1 et Ligne imprimée avec des paramètres bi-directionels non adaptés à la hauteur d’impression (Cas des panneaux voilés)

Quand l’impression bidirectionnelle est utilisée, la distance de projection change de sens à chaque passage et de ce fait une compensation doit être appliquée pour que les gouttes restent alignées. Comme illustré ci-dessous, la compensation est constante seulement si la distance d’impression reste constante. Si cela n’est pas le cas, une erreur de positionnement E2 se produira.

Une bonne estimation de E2 est possible via la formule suivante :

E2 = 2x(Vt x ΔD)/8000

E2 = erreur de positionnement des gouttes en mm
Vt = Vitesse de déplacement de la tête en mm/s
ΔD = Variation de la hauteur d’impression en mm

Tableau 2

En pratique, ΔD est la déformation résiduelle du panneau lorsque celui-ci est tenu à plat sur la table aspirante. Des valeurs de ΔD = 0,5 mm sont courantes. Le tableau 2 donne les valeurs de E2 pour les déformations et les vitesses d’impression.
Comme on peut le voir les erreurs de ce type peuvent être importantes. Dans les pages suivantes, nous expliquons comment, via l’option de mesure laser implémentée dans le CP400 First EIE, il est possible de réduire de manière significative ce type d’erreur.

2.Résolution et taille du point d’encre

Erreurs d’arrondi dues à l’impression digitale

Les fichiers de base utilisés par le CP460 First EIE sont les fichiers en Gerber ou en DPF. Dans ce type de fichiers, chaque élément géométrique est défini comme étant un vecteur. Par exemple, une ligne est déterminée par les coordonnées de son point de départ, son point de fin ainsi que par son épaisseur.

Figure 7 - Pixel et résolution

Pour une impression digitale, ces fichiers doivent être rasterizés. La rasterization consiste dans le fait de représenter ces formes géométriques par des points appelés pixels qui sont placés sur une grille. Le pas de la grille est nommé résolution.

Figure 8 - Eléments en définition vectorielle et Eléments après rasterization

Un pixel ne peut être placé qu’à l’intérieur d’une cellule de la grille. Cependant une ligne définie vectoriellement peut ne pas tomber exactement sur les points de la grille mais après rasterization elle sera arrondie à la grille et dans ce cas il y aura, pour les points constitutifs de cette ligne une erreur de positionnement E3 qui sera égale au maximum à 0,5 fois la résolution.

La résolution standard du CP460 haute définition est de 600 dpi ce qui correspond à 42,3 µm (arrondi à 42 µm dans ce qui suit). Il en résulte que :

 l’erreur maximale dans le positionnement des bords de traits due à la rastérization est donc de 21 µm et l’erreur E3 maximale due à la rastérization dans la largeur de l’élément est de 2x21 µm = 42 µm. (respectivement 82 µm pour une tête d’impression en 300 dpi).
 augmenter la résolution de l’impression diminue les erreurs de rastérization et vice versa.

Les effets du changement de la résolution d’impression

Figure 9 - Résolution et chevauchement

Comme expliqué plus haut, la rastérization calcule l’emplacement des pixels sur la grille. Pour l’ordinateur, les pixels ont la même dimension que la résolution. Du côté pratique, cependant, les pixels sont formés sur les panneaux par des gouttes d’encre qui n’ont pas la même dimension que la résolution (une taille de goutte de 80 µm pour une résolution standard de 42 µm). Il s’en suit que les gouttes se chevauchent et comme elles ont une taille fixe, le chevauchement varie avec la résolution comme illustré figure 9 pour un CP400 à haute résolution.

Dans la pratique, cela mène aux recommandations suivantes :

 600 dpi : c’est la résolution optimale qui permet un chevauchement suffisant entre les points pour obtenir une couverture à 100 % avec une bonne densité de blanc, une épaisseur optimale d’encre avec des bords de traits suffisamment lisses. C’est la résolution à utiliser à moins d’une application spécifique.

 500 dpi : cette résolution donne encore de bons résultats mais la densité de blanc est moindre et les bords de traits sont moins nets. Parce que ce mode donne une épaisseur d’encre réduite, il permet un meilleur séchage et peut être une solution lorsque l’adhésion est insuffisante en 600 dpi.

 400 dpi : cela ne garantit pas la couverture à 100 % et pour cette raison, les impressions ont un aspect ’digital’ et ont tendance à migrer vers le gris au lieu du blanc initial. Généralement peut recommandé, excepté pour des solutions où l’adhésion est difficile sur des surfaces telles que le Kapton, etc.

 700 dpi : permet de meilleurs bords de traits et des dimensions d’éléments légèrement plus précises qu’en 600 dpi. La densité de blanc est excellente et peut être très intéressante lorsqu’on imprime avec de l’encre blanche sur des panneaux de couleur claire. Il est par contre plus délicat à sécher de part l’augmentation de l’épaisseur d’encre. Dans ce cas, il sera souvent nécessaire de chauffer le panneau après impression et avant le séchage UV.

 800 dpi : cela accentue à la fois les avantages et les désavantages de la résolution en 700 dpi. A utiliser uniquement dans le cadre d’applications bien spécifiques.

3.Le CP460 conçu pour aller aux limites de la technologie jet d’encre

Technique d’impression unique

Le système mono-tête compact de la CP460 permet d’obtenir des impressions uniformes de grande précision sans effet de raccordement. Une technique unique d’entrelaçage utilisée pour combiner les passes imprimées à chaque passage de la tête assure une distribution optimale des erreurs de placement des gouttes et permet d’exclure les discontinuités entre passes vues sur d’autres systèmes où les raccordements entre passes sont faits parfois de façon inégale.

L’encre UV utilisée est chauffée à l’intérieur de la tête, ce qui fait qu’il est très rare d’avoir des buses bouchées. Sa fluidité à l’intérieur de la tête est ainsi maîtrisée et optimisée pour assurer une bonne formation de gouttes quelque soient les conditions extérieures et les mouvements de la tête.

Impression bi-directionnelle et hauteur d’impression

Ces deux aspects de l’impression jet d’encre sont liés puisque la compensation entre les directions d’impression dépend de la hauteur de celle-ci. Le CP460 intègre plusieurs ensembles de paramètres logiciels qui permettent de gérer automatiquement la vitesse d’impression et la compensation bi-directionnelle en fonction de la hauteur d’impression. L’utilisateur peut sélectionner trois hauteurs d’impression :

 Mode rapide : hauteur d’impression 1 mm, bidirectionnel : doit être utilisé pour des panneaux peu ou pas déformés.
 Mode standard : hauteur d’impression 1,5 mm, bidirectionnel : doit être utilisé pour la plus part des panneaux dont le voilage résiduel sur la table d’aspiration reste inférieur à 0,5 mm.
 Mode sécurisé : hauteur d’impression 2 mm, mono directionnel : doit être utilisé pour les panneaux dont le voilage résiduel sur la table d’aspiration peut aller jusqu’a 1 mm.

Système de mesure laser avec suivi de surface du panneau

Comme il est important mais difficile de maintenir l’ensemble du panneau à plat pendant l’impression, le CP400 offre la possibilité d’ajuster automatiquement la hauteur d’impression par rapport à la surface du panneau. Cela est obtenu par l’installation en option d’un système laser de mesure de hauteur. Il scanne la hauteur de la surface du panneau lors du mouvement de la tête et renvoie l’information vers l’axe Z motorisé, ce qui permet la continuité de l’ajustement de la hauteur de la tête d’impression. Le système est capable d’absorber un défaut de planéité à hauteur de 1 mm sur une distance transversale supérieure à 200 mm, réduisant l’erreur E2 à pratiquement zéro.

Résolutions multiples

Les erreurs d’arrondis dues à la rasterization sont des faits mathématiques et ne peuvent pas être éliminées. Cependant, elles dépendent de la résolution et c’est l’une des raisons pour lesquelles le CP460 offre plusieurs résolutions qui peuvent être sélectionnées simplement en pressant un bouton sur l’interface utilisateur du CP400. A l’installation, on peut programmer le CP460 pour afficher uniquement les boutons des résolutions souhaitées.

Compensation de la taille du point

Figure 10

Comme le montre le dessin Figure 10, imprimer avec des points d’encre plus gros que le pas de la grille de rastérization (résolution) crée une erreur : si un trait est composé de N pixels, sa largeur sera non pas N x Résolution mais :

W = N x Résolution + (taille du point – résolution)

Pour obtenir une largeur donnée W, la rastérization doit donc calculer un nombre de pixels N comme suit :

N = [W – (taille du point – résolution)]/Résolution

C’est ce que l’on appelle la compensation de taille de point. Dans le CP460 First EIE, la taille physique mesurée du point d’encre est enregistrée dans le logiciel et cette valeur est utilisée pour la rastérization. Dans le cas de polygones, le même type de compensation est utilisé mais avec des algorithmes nettement plus complexes.

Tableau 3

A noter que comme N est un nombre entier, un léger changement de valeur du paramètre « Taille du point » peut ne pas avoir d’effet sur l’épaisseur du trait. Ceci est illustré par le tableau 3 qui montre l’effet du paramètre « Taille du point » sur la largeur physique d’une ligne de largeur nominale 210 μm imprimée à 600 dpi.

Traitement des ligne de petite largeur

La largeur de ligne minimum est donnée par la taille du point qui varie légèrement d’une machine à l’autre, comme indiqué précédemment (de 70 à 100 µm). Les fichiers de sérigraphie inclus parfois des lignes de plus petite largeur, typiquement dans le cas de lignes utilisées pour faire des remplissages. Le logiciel du CP460 permet d’omettre ces lignes ou alors d’arrondir leur largeur à la taille minimum d’une goutte (de 70 à 100 µm).

« Arrondir à la grille »

Figure 11 - Arrondir à la grille

Cette option offerte par le logiciel de la CP460 permet d’arrondir à la grille de rasterization les coordonnées vectorielles qui définissent les éléments à imprimer (traits, pastilles, etc.). Le fait d’activer cette option permet d’assurer que des lignes de même largeur soient composées du même nombre de points d’encre et donc d’avoir des largeurs physiques identiques. En contrepartie, leur position est légèrement décalée par rapport à leur position théorique, au maximum d’un demi pas soit donc 21µm. Lorsque cette option n’est pas activée, la largeur physique des lignes de même largeur théorique peuvent différer par un pas de résolution (42,3 µm en 600 dpi).

4.Considérations d’alignement

Les imprimantes First EIE de série CP460 offrent plusieurs méthodes pour obtenir un alignement précis des sérigraphies avec les références physiques des panneaux. Ces méthodes sont brièvement décrites ci-dessous :

Registration mécanique par goupilles

La table du CP460 dispose de deux goupilles de référence qui sont utilisées pour tenir en place les panneaux avec précision. L’une d’elle est ajustable pour s’adapter à des panneaux de différente taille.

Durant la phase d’ajustement initial, un opérateur détermine les paramètres X, Y nécessaires pour obtenir l’alignement. Ces paramètres sont enregistrés dans une base de donnée de la CP460 pour chaque type de panneau. Un mécanisme de précision à vis, permet à l’opérateur d’orienter manuellement la table afin de corriger d’éventuels écarts d’angle entre le panneau et l’impression.

Ces réglage ne sont à effectuer qu’une seule fois. Ils restent valables aussi longtemps que les fichiers de sérigraphie sont générés dans le même système de coordonnées.

Registration automatique

La registration automatique nécessite l’installation en option d’un système de vision constitué d’une caméra avec éclairage attachée à la tête d’impression et de son logiciel. Un actionneur motorisé fait également partie du système ; il est utilisé pour orienter automatiquement la table d’aspiration retenant le panneau.

Le système déplace automatiquement la caméra vers les mires prédéfinies et recherche leur centre par une analyse d’image. A partir des positions obtenues, il calcule les décalages en X et Y et l’angle de rotation de la table nécessaires et les applique par le biais des axes motorisés. Il calcule également les facteurs d’échelle X et Y permettant d’adapter les dimensions de la sérigraphie à imprimer aux dimensions quelque peu variables de chaque panneau.

Au niveau opérationnel, il est possible de choisir dans 4 modes d’alignement proposés :

 Panel settings : doit être utilisé lorsque le panneau est positionné par des goupilles sur la table aspirante. Les données d’alignement enregistrées dans la machine sont réutilisables pour chaque type de panneau mais peuvent aussi être modifiées à tout moment.
 Semi-auto : la caméra se déplace automatiquement vers les mires et attend de l’opérateur le pointage du centre de chaque mire. Cela étant fait, la table se cale et s’oriente automatiquement.
 Auto and confirm : idem au mode semi-auto, mais la caméra détecte automatiquement le centre de chaque mire puis attend que l’opérateur confirme la validité de la détection.
 Full auto : idem au mode Auto and Confirm, mais pas de confirmation de la part de l’opérateur.

Plusieurs éléments additionnels sont également disponibles pour faciliter les opérations et minimiser les erreurs de l’opérateur :

 Un affichage graphique des fichiers de sérigraphie à imprimer et leur position par rapport au panneaux.
 un affichage graphique des points d’alignement
 l’ import des coordonnées des points d’alignement via des fichiers de données
 Possibilité d’obtenir directement les coordonnées des points d’alignement depuis l’afficheur graphique lorsque les fichiers de données ne sont pas disponibles.

Précision d’alignement

Dans le cas d’un alignement par goupilles, l’exactitude dépend uniquement de la précision des trous de repère dans les panneaux. Cependant, dans ce mode, les facteurs d’échelle X et Y ne sont normalement pas ré-ajustés pour chaque panneau, et donc l’exactitude de l’alignement dépend aussi de la régularité des dimensions des panneaux.

En mode automatique, la précision de l’alignement dépend essentiellement de la détection du centre des mires du panneau. Cette détection sera d’autant plus précise que les mires sont de bonnes qualité : pastilles rondes de 2 à 4 mm de diamètre en cuivre avec épargne de diamètre 8 à 10 mm.

L’ensemble des facteurs affectant la précision d’alignement la précision sont évalués comme indiqué tableau 4 :

Tableau 4

Note : First EIE fournira prochainement en option une caméra haute résolution qui contribuera à réduire l’erreur typique d’alignement à 25 µm.

Les produits First EIE sont distribués en France par la société ADL International