Marcação a laser e códigos de visão de máquina para segurança e rastreabilidade de produtos

Marcação a laser e códigos de visão de máquina para segurança e rastreabilidade de produtos

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

A marcação direta de peças com informações de identificação única exige tecnologias digitais de processo, como jato de tinta, dot peen e marcação a laser. 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. Além disso, o laser consegue marcar os menores códigos de visão de máquina. Isso é importante na micromarcação ou quando a área disponível na peça ou no componente é limitada para alfanuméricos, logotipos ou diagramas esquemáticos. Operações de manufatura Six Sigma robustas exigem que todos os produtos sejam 100% legíveis por humanos ou por visão de máquina, independentemente do tamanho e da complexidade de detalhes da marcação.

Principais conclusões

• A marcação direta de peças rastreia um produto da fabricação ao fim da vida útil, que é o que a identificação única exige.
• A MIL-STD-130M é o padrão do DoD, e os setores comerciais, do automotivo às embalagens, seguiram o mesmo caminho.
• O Data Matrix tem de 1/10 a 1/100 do tamanho de um código de barras para a mesma quantidade de dados codificados.
• A redundância é parte do projeto. Os dados são distribuídos por todo o símbolo, com correção de erros para recuperar áreas danificadas.
• Um código de um quarto de polegada é marcado em cerca de 200 milissegundos em componentes de combustível automotivos sob o capô.

Perguntas frequentes

O que é um código de visão de máquina?

São informações codificadas interpretadas por leitores ópticos ou câmeras. O conhecido código de barras unidimensional representa dados como contraste escuro sobre fundo claro, criando alta e baixa refletância convertidas em uns e zeros, com os dados armazenados nas larguras e nos espaçamentos de linhas paralelas. Padrões mais novos usam pontos, círculos concêntricos e textos ocultos em imagens.

Por que usar Data Matrix em vez de código de barras em peças pequenas?

Tamanho e resiliência. Para a mesma quantidade de dados codificados, um Data Matrix tem apenas de 1/10 a 1/100 do tamanho de um código de barras, então uma área mínima da peça carrega uma quantidade significativa de dados de manufatura. Cada código é cerca de metade preto e metade branco, o que dá 50% de chance de que o dano a uma célula não prejudique a legibilidade, e a correção de erros ajuda a recuperar defeitos.

Quais plásticos costumam ser marcados para rastreabilidade?

Acetais, náilons, poliolefinas, policarbonatos, poliésteres e estirênicos, todos materiais quimicamente inertes e apolares, de baixa energia de superfície. É justamente por isso que se prefere a marcação a laser aos processos à base de tinta, que exigem pré-tratamento e cura.

Quais dados um código automotivo sob o capô carrega?

Rastreabilidade completa do componente: lote de resina, máquina de moldagem, data, turno e hora, além dos resultados do teste de estanqueidade da montagem. Um código de um quarto de polegada é marcado em cerca de 200 milissegundos.

O que impulsionou o crescimento da marcação direta de peças?

Os requisitos de rastreabilidade e de identificação única. Após o 11 de setembro, os fabricantes implementaram estratégias para estabelecer rastreabilidade e impedir adulteração e contrafação, com a MIL-STD-130M como prática padrão do Departamento de Defesa e fabricantes comerciais adotando equivalentes.

O que são códigos de visão de máquina?

Códigos legíveis por máquina (visão) são informações codificadas 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). No entanto, também são usados padrões mais novos de pontos, círculos concêntricos e códigos de texto ocultos em imagens. Nos Estados Unidos, o UPC (Universal Product Code) é o uso mais conhecido e difundido de códigos de barras em produtos de varejo e de consumo.

Embora os esquemas modernos de código de barras possam conter o conjunto de caracteres ASCII, os setores de manufatura, eletrônicos, aeroespacial, automotivo, farmacêutico e outros precisam de códigos de visão de máquina bem mais avançados. A busca contínua por codificar mais informações em menos espaço levou ao desenvolvimento dos códigos bidimensionais “Data Matrix”. Os códigos Data Matrix não podem ser lidos por laser (usado nos códigos de barras), pois, em geral, não há um padrão de varredura capaz de abranger todo o símbolo. Eles 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 o Data Matrix 2D e o código de barras.

Comparação entre o código 2D e o código de barras

Os códigos Data Matrix 2D são ideais para a marcação de peças pequenas e foram projetados para sobreviver a ambientes industriais severos. O tamanho do código Data Matrix é de apenas 1/10 a 1/100 do de um código de barras para a mesma quantidade de dados codificados. Assim, é necessário muito pouco espaço na peça, que 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. A Figura 2 compara o código Data Matrix e o código de barras.

Marcação a laser

Este segmento trata do uso de códigos Data Matrix 2D em peças e conjuntos tridimensionais fabricados em plástico (incluindo acetais, náilons, poliolefinas, policarbonatos, poliésteres, estirênicos etc.). Esses plásticos são quimicamente inertes e apolares, com baixa energia de superfície. Na marcação direta de peças, os lasers de Nd:YAG oferecem vantagens sobre processos à base de tinta, como o jato de tinta, que exigem pré-tratamento de superfície e cura. Os lasers de Nd:YAG com direcionamento de feixe (“YAG”) em comprimento de onda de 1064nm (espectro do infravermelho próximo) são populares na indústria de marcação a laser por seu comprimento de onda de emissão, seu desempenho de potência e sua versatilidade. O resultado são velocidades de marcação maiores, mais qualidade e maior produção.

Como referência, os lasers de CO₂ de onda contínua (CW) operam em comprimento de onda de 10,6 µm (espectro do infravermelho distante). Os lasers de CO₂ geram potência de pico muito menor que os lasers YAG e, por isso, não conseguem produzir marcações de alto contraste na maioria dos plásticos. Vale notar que os lasers de CO₂ são usados com frequência para marcar códigos de barras e códigos matriciais em etiquetas, papel e para ablação de tinta.

O mecanismo da marcação a laser consiste em irradiar o polímero com uma fonte localizada de radiação de alta energia (o laser). A energia radiante é então absorvida pelo material e convertida em energia térmica, que induz reações no material. Nem todos os lasers YAG com direcionamento de feixe são iguais.

Os componentes de hardware e software que o fabricante do laser incorpora aos seus sistemas fazem grande diferença na qualidade e na velocidade da marcação. Um atributo essencial é a densidade de potência (watts/cm²) na superfície de marcação, que é diferente da potência de saída bruta do laser. Os marcadores a laser de Nd:YAG com direcionamento de feixe (fontes de luz por lâmpada de arco e por diodo) usam espelhos montados em galvanômetros de alta velocidade controlados por computador para conduzir o feixe sobre a superfície a ser marcada, de forma parecida com escrever com lápis e papel. Cada galvanômetro, um no eixo Y e outro no eixo X, proporciona o movimento do feixe dentro do campo de marcação. Um conjunto de lentes de campo plano focaliza a luz do laser para obter alta densidade de potência na superfície do substrato. A Figura 3 mostra o sistema óptico de entrega do feixe com galvanômetros controlados por computador.

O modo de saída do feixe laser é decisivo para o desempenho da marcação. Os fabricantes podem fornecer lasers multimodo, TEM00 (modo eletromagnético transversal) ou qualquer configuração intermediária, incluindo modo de baixa ordem. Esses modos de saída se relacionam a fatores como a divergência do feixe e a distribuição de potência ao longo do diâmetro do feixe. Os lasers de modo de baixa ordem e TEM00 são especialmente adequados para a marcação vetorial em alta velocidade de Data Matrix e códigos de barras, alfanuméricos de traço único, fontes true-type preenchidas e gráficos complexos, pois conseguem um ponto focal pequeno, que resulta em uma linha muito estreita com bordas bem definidas.

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 (por meio de Q-switch acústico-óptico) e a densidade de potência de pico são parâmetros críticos para formar a marcação e obter contraste e velocidade ideais. 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. A velocidade do feixe também é um fator crítico.

O uso de aditivos para marcação a laser melhora e otimiza o contraste do código de visão de máquina e reduz os tempos de ciclo de marcação. Esses fatores, em última análise, economizam dinheiro e aumentam a produção. As soluções de ciência de materiais têm bom custo-benefício, são fáceis de usar e, com a formulação adequada, não têm efeitos prejudiciais sobre as propriedades físicas e químicas dos produtos poliméricos.

Aplicações

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 (em geral acetais, náilons e poliésteres). Como mostra o Exemplo A, página 32, o código de ¼ pol é marcado em cerca de 200 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). Os novos avanços tecnológicos na marcação a laser de acetais ampliam ainda mais o alcance da serialização e da rastreabilidade de produtos. Exemplo B: 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 (W.I.P.).”

Os sistemas modernos de visão de máquina não são apenas dispositivos de inspeção independentes. Eles são integrados a operações de manufatura total 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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