Marcação a laser de fibra para segurança de produtos, identificação e anticontrafação

Marcação a laser de fibra para segurança de produtos, identificação e anticontrafação

A marcação a laser oferece vantagens sobre a rotulagem in-mold e a impressão à base de tinta na marcação direta de peças em produtos plásticos. O surgimento dos lasers de fibra de itérbio consolida ainda mais o laser como um método importante para agregar medidas de segurança e de anticontrafação.

Os requisitos da manufatura industrial por marcação direta de peças indelével, com códigos de visão de máquina, crescem rapidamente. Três tipos de código bem conhecidos são o QR, o Data Matrix e o código de barras. A marcação direta de peças permite rastrear um único produto exclusivo desde a fabricação até o fim de sua vida útil. A demanda por códigos de visão de máquina é impulsionada pelas exigências crescentes de rastreabilidade de componentes e de identificação única de produtos (UID). Após o 11 de setembro, os fabricantes começaram a implementar estratégias para estabelecer rastreabilidade e impedir a adulteração e a contrafação de produtos. O Departamento de Defesa dos EUA (DoD) desenvolveu a MIL-STD-130 como prática padrão para bens militares. Além do DoD, fabricantes de produtos industriais comerciais, incluindo os setores automotivo, farmacêutico, de eletrônicos, de embalagens e de bens de consumo, vêm adotando padrões semelhantes de forma agressiva.

Principais conclusões

• Os códigos Data Matrix têm de 1/10 a 1/100 do tamanho de um código de barras com os mesmos dados, o que é decisivo onde a área de superfície é escassa.
• Cerca de metade de cada código é redundante por projeto, o que dá 50% de chance de que o dano a uma célula não afete a legibilidade.
• A MIL-STD-130 definiu o padrão, e os setores automotivo, farmacêutico, de eletrônicos e de embalagens adotaram equivalentes.
• Cerca de 25% dos códigos de visão de máquina são lidos incorretamente por baixa qualidade de resolução, uma limitação sobretudo do jato de tinta.
• Um código 2D de 1/6 de polegada é marcado em menos de 150 milissegundos em componentes de combustível automotivos sob o capô.

Perguntas frequentes

Por que usar marcação a laser em vez de jato de tinta para códigos de visão de máquina?

Resolução e permanência. O jato de tinta não indelével não consegue a resolução fina de borda de linha de que a visão de máquina precisa, sobretudo em peças pequenas, e especialistas estimam que cerca de 25% dos códigos de visão de máquina são lidos incorretamente por baixa qualidade de resolução. Além disso, a maioria das tintas não adere adequadamente a plásticos de baixa energia de superfície, mesmo com pré-tratamento.

Que vantagem o Data Matrix tem sobre o código de barras?

Tamanho e resiliência. Para a mesma quantidade de dados codificados, um Data Matrix tem de 1/10 a 1/100 do tamanho de um código de barras. Os dados são distribuídos por todo o símbolo, então o código é cerca de metade preto e metade branco, com chances praticamente iguais de que o dano a uma célula não prejudique a legibilidade, e a correção de erros embutida ajuda a recuperar danos ao símbolo.

Códigos Data Matrix podem ser lidos com um leitor de código de barras?

Não. Em geral não há um padrão de varredura capaz de abranger todo o símbolo, portanto o Data Matrix precisa ser lido por um dispositivo de captura por câmera, e não por um leitor a laser.

O que impulsionou a adoção da marcação direta de peças?

Os requisitos de rastreabilidade e de identificação única. Após o 11 de setembro, os fabricantes começaram a implementar estratégias para estabelecer rastreabilidade e impedir adulteração e contrafação, e o Departamento de Defesa dos EUA desenvolveu a MIL-STD-130 como prática padrão para bens militares. Os setores comerciais adotaram padrões semelhantes.

Que dados um pequeno código 2D consegue, de fato, armazenar?

Em componentes de combustível automotivos sob o capô, um código de 1/6 de polegada marcado em menos de 150 milissegundos carrega a rastreabilidade completa do componente: lote de resina, máquina de moldagem, data, turno e hora, além dos resultados do teste de estanqueidade da montagem.

Tecnologias de marcação e impressão digitais versus analógicas

A marcação direta de peças com informações de identificação única exige tecnologia “digital”, como a marcação a laser, o jato de tinta e o dot peen. Observe que a rotulagem in-mold e a rotulagem por transferência térmica são processos de duas etapas, significativamente mais caros que a marcação a laser, e não são abordados neste artigo. Para muitos produtos plásticos tridimensionais, o laser é o método preferido, pois gera marcações indeléveis de alto contraste e dispensa o custo elevado de tintas, solventes e pós-cura. Os lasers marcam com precisão os menores códigos de visão de máquina. Isso é importante na micromarcação e quando a área disponível na peça ou no componente é limitada para alfanuméricos, logotipos ou diagramas esquemáticos. Operações Six Sigma robustas exigem que todos os produtos sejam 100% legíveis por humanos ou por visão de máquina, independentemente do tamanho e da complexidade da marcação.

Um excelente exemplo de aplicação são os códigos Data Matrix 2D aplicados a laser em componentes e conjuntos de combustível automotivos sob o capô, em ambiente severo, tipicamente de acetais, náilons e poliésteres (Foto 1). O código de 1/6 pol é marcado em menos de 150 milissegundos. Os dados contidos no código incluem a rastreabilidade completa do componente (do lote de resina, da máquina de moldagem, da data-turno-hora e do teste de estanqueidade da montagem).

Como explicou um executivo do setor automotivo, “Muitos dos componentes de combustível de acetal sob o capô que projetamos são compactos. A micromarcação indelével de informações críticas e de códigos Data Matrix perto do fim das operações de montagem automatizada, após o teste de estanqueidade em linha, tem grande valor no setor. A identificação única de peças também beneficia a gestão interna de estoque de produtos em processo.”

Em comparação com a marcação a laser sem contato e com os processos de jato de tinta, a tampografia e a serigrafia “analógicas”, por transferência de tinta, não conseguem produzir marcação indelével nem identificação única por unidade na maioria dos plásticos.

Além disso, o processo tem custos variáveis recorrentes elevados com tintas, tampões (pads), clichês (matrizes de impressão) e produtos químicos. Ao comparar a marcação a laser com o jato de tinta, a economia com tinta e consumíveis é semelhante. O jato de tinta não indelével não consegue resolução fina de borda de linha, essencial para a visão de máquina, sobretudo em peças pequenas. Especialistas estimam que 25% dos códigos de visão de máquina são lidos incorretamente por baixa qualidade de resolução. Lembre-se de que a maioria das tintas não adere adequadamente a muitos plásticos de baixa energia de superfície, mesmo com pré-tratamento. Essa condição existe tanto nos processos de impressão com tinta digitais quanto nos analógicos.

O que são códigos de visão de máquina? Códigos legíveis por máquina (visão) contêm informações que podem ser interpretadas por leitores ópticos ou câmeras. Um exemplo conhecido é o “código de barras” unidimensional, uma representação de informações, em geral com contraste escuro sobre fundo claro, que cria alta e baixa refletância, convertidas em 1s e 0s. Os formatos mais comuns de código de barras armazenam dados nas larguras e nos espaçamentos de linhas paralelas impressas (listras pretas e brancas).

Embora os esquemas modernos de código de barras possam conter conjuntos de caracteres ASCII, algumas aplicações de manufatura exigem códigos de visão de máquina bem mais avançados. A busca contínua por codificar mais informações em espaços menores levou ao desenvolvimento dos códigos bidimensionais “Data Matrix”. Os códigos Data Matrix não podem ser lidos por laser (usado no código de barras), pois, em geral, não há um padrão de varredura capaz de abranger todo o símbolo. Os códigos Data Matrix precisam ser lidos por um dispositivo de captura por câmera. O Data Matrix 2D é o código legível por máquina revolucionário, criado especificamente para superar as limitações dos códigos de barras. A Figura 1 mostra as diferenças entre os códigos 2D (Data Matrix e QR) e o código de barras.

Os códigos Data Matrix 2D são ideais para marcar peças pequenas e foram projetados para sobreviver a ambientes industriais severos. O tamanho dos códigos Data Matrix é de 1/10 a 1/100 do de um código de barras, para a mesma quantidade de dados codificados. Um espaço mínimo na peça pode conter dados de manufatura significativos para a rastreabilidade do produto. Cada código é cerca de metade preto e metade branco, o que resulta em 50% de chance de que o dano a uma célula não prejudique a legibilidade. O alto grau de redundância do Data Matrix (os dados são distribuídos por todo o símbolo) e sua resistência a defeitos de impressão o tornam muito confiável. Os esquemas de correção de erros incorporados ao algoritmo otimizam a capacidade de recuperação após danos ao símbolo. Veja a Tabela 1.

Aditivos para laser

Os aditivos para laser no infravermelho próximo melhoram o grau de contraste, que pode ser intensificado ainda mais ao alterar os parâmetros de configuração do laser. Os polímeros têm características inerentes de produzir contraste de marcação “escuro” ou “claro”. Alguns compostos corantes com pequenas quantidades de dióxido de titânio (TiO₂) e negro de fumo também podem absorver a luz laser e, em alguns casos, melhorar o contraste da marcação. Cada grau de polímero, mesmo dentro da mesma família polimérica, pode produzir resultados diferentes. As formulações de aditivos não podem ser tóxicas nem afetar negativamente a aparência ou as propriedades físicas ou funcionais dos produtos.

Em comparação com os processos de impressão com tinta (tampografia, serigrafia e jato de tinta), os aditivos para laser reduzem custos e podem apresentar velocidades de marcação 20% maiores ou mais em relação a materiais não otimizados. Os aditivos para laser são fornecidos em grânulos (pellets) e em pó. Os produtos granulados podem ser misturados diretamente à resina polimérica, enquanto as formas em pó são convertidas em masterbatch. A maioria se dispersa facilmente nos polímeros. Conforme o aditivo e o polímero, a concentração em peso (na peça final) varia entre 0,01 e 4,0%.

Alguns aditivos contêm misturas de óxido de estanho dopado com antimônio e trióxido de antimônio, que podem conferir um tom “acinzentado” à opacidade natural (sem cor) do substrato. Outros aditivos podem conter partículas de alumínio, óxidos metálicos mistos e compostos proprietários. Os ajustes de cor são feitos com pigmentos e corantes para obter a aparência final de colormatch. Como fornecidos comercialmente, aditivos específicos (também usados na soldagem a laser) receberam aprovação da FDA para contato com alimentos e uso em embalagens de alimentos nas condições A a H da norma 21 CFR 178.3297 (Colorants for Polymers). Existem declarações de conformidade semelhantes para a União Europeia. As condições de certificação são específicas para o tipo de polímero, o limite de concentração e o contato direto ou indireto. Uma qualificação adicional de aditivos aprovados pela FDA misturados em uma “peça final” pode permitir a biocompatibilidade de dispositivos médicos.

Tecnologia de laser de fibra de itérbio

As melhorias na tecnologia a laser foram decisivas para o rápido desenvolvimento da geração mais recente de aditivos para laser aprovados pela FDA. O surgimento dos lasers de fibra de itérbio de nanossegundos é um dos avanços mais significativos para marcação, soldagem e corte. Fundamentalmente, os lasers de fibra são diferentes de outros lasers de marcação de estado sólido bombeados por diodo (DPSS). Nos lasers de fibra, o meio ativo que gera o feixe está disperso em um cabo de fibra óptica especializado. Ao contrário dos lasers com entrega por fibra, todo o caminho do feixe fica dentro do cabo de fibra óptica até a óptica de entrega do feixe. Essa estrutura totalmente em fibra é em grande parte responsável pela confiabilidade e pela robustez desses lasers, o que explica seu rápido crescimento.

Os lasers de fibra oferecem qualidade de feixe (M²) e brilho superiores aos dos lasers de Nd:YAG. Um laser com qualidade de feixe superior pode ser focalizado em um ponto pequeno, o que leva a alta densidade de energia. Lasers de fibra MOPA (amplificador de potência com oscilador mestre) de pulso fixo e variável, com energia de pulso de até 1mJ e alta densidade de potência, conseguem marcar muitos polímeros historicamente difíceis. Os lasers de vanadato também têm valor de M² pequeno, com largura de pulso menor que a dos lasers de fibra de pulso fixo e YAG. A duração do pulso influencia o grau de calor e de carbonização no material. Pulsos curtos, tipicamente <40ns, permitem um aporte de energia mais controlado no processamento de materiais poliméricos sensíveis. Esses pulsos mantêm a potência de pico para superar os limiares do material, mas têm menor energia de pulso, reduzindo o dano térmico localizado.

O desenvolvimento da aplicação é altamente específico, pois não existe uma solução de laser universal. Os lasers MOPA de pulso curto conseguem explorar plenamente o desempenho de aditivos químicos sensíveis aprovados pela FDA. O controle espacial e temporal localizado do aporte de calor do laser e da taxa desse aporte permite o desempenho máximo. A escolha do tipo de laser a integrar é definida pelas características de saída do laser em interação com o material polimérico otimizado.

Sistemas de equipamentos a laser

Os componentes de hardware e software que o fabricante do laser incorpora aos seus sistemas fazem grande diferença no contraste, na qualidade e na velocidade da marcação. Um atributo essencial é a densidade de potência (W/cm²) na superfície de marcação, que é diferente da potência de saída bruta do laser. O modo de saída do feixe laser é decisivo para o desempenho da marcação. Esses modos de saída se relacionam a fatores como a divergência do feixe e a distribuição de potência ao longo do diâmetro do feixe.

A densidade de potência é função do tamanho do ponto focal do laser. O tamanho do ponto focal, para qualquer distância focal da lente e comprimento de onda do laser, depende da divergência do feixe, controlada pela configuração do laser, pelo tamanho da abertura seletora de modo e pela ampliação do upcolimador (expansor de feixe). A taxa de repetição de pulsos e a densidade de potência de pico são parâmetros críticos para formar a marcação e obter contraste e velocidade ideais. As curvas aritméticas de potência versus taxa de repetição de pulsos são inversamente proporcionais. Uma potência de pico alta em baixa frequência eleva rapidamente a temperatura da superfície, vaporizando o material e conduzindo o mínimo de calor para o substrato. Com o aumento da taxa de repetição, uma potência de pico menor produz vaporização mínima, mas conduz mais calor. Outros fatores que influenciam o contraste e a qualidade da marcação são, é claro, a velocidade do feixe e a distância de separação entre as linhas vetoriais.

Conclusão

Os sistemas modernos de visão de máquina não são apenas dispositivos de inspeção independentes. Eles são integrados a operações de manufatura Six Sigma, incluindo programas de métricas de controle estatístico da qualidade. Sistemas avançados contêm inteligência artificial, que amplia ainda mais o alcance dos lasers e dos códigos de visão de máquina. A combinação poderosa da marcação a laser é vista como essencial para o sucesso, pois fornece feedback de processo e prevenção de erros em produtos com defeitos próximos de zero.

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos: marcação a laser, pré-tratamentos de superfície, colagem, decoração e acabamento e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de manufatura há mais de 30 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelos sites www.sabreen.com e www.plasticslasermarking.com.

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