Marcado con láser de fibra para seguridad del producto, identificación y anti-falsificación

Marcado con láser de fibra para seguridad del producto, identificación y anti-falsificación

El marcado láser ofrece ventajas frente al etiquetado en molde y a la impresión con tinta para el marcado directo de piezas en productos plásticos. La aparición de los láseres de fibra de iterbio distingue aún más a los láseres como un método importante para agregar medidas de seguridad y anti-falsificación.

Los requisitos de la manufactura industrial en materia de marcado directo de piezas indeleble que contenga códigos de visión artificial crecen con rapidez. Tres tipos de código conocidos son QR, Data Matrix y código de barras. El marcado directo de piezas permite rastrear un producto único desde su manufactura hasta el final de su vida útil. La demanda de códigos de visión artificial obedece a los crecientes requisitos de trazabilidad de componentes y de identificación única de productos (UID). Después del 11 de septiembre, los fabricantes comenzaron a implementar estrategias para establecer la trazabilidad y frenar la manipulación indebida y la falsificación de productos. El Departamento de Defensa de EE. UU. (DoD) desarrolló MIL-STD-130 como práctica estándar para la propiedad militar. Más allá del DoD, los fabricantes de productos industriales comerciales, incluidos los sectores automotriz, farmacéutico, electrónico, de empaque y de bienes de consumo, están adoptando con decisión normas similares.

Puntos clave

• Los códigos Data Matrix ocupan de 1/10 a 1/100 del tamaño de un código de barras con los mismos datos, un factor crítico cuando la superficie disponible es escasa.
• Aproximadamente la mitad de cada código es redundante por diseño, lo que da una probabilidad de 50/50 de que el daño en una celda no afecte la legibilidad.
• MIL-STD-130 marcó la pauta, y los sectores automotriz, farmacéutico, electrónico y de empaque han adoptado equivalentes.
• Alrededor de 25% de los códigos de visión artificial se leen mal por su baja calidad de resolución, principalmente una limitación de la inyección de tinta.
• Un código 2D de 1/6 de pulgada se marca en menos de 150 milisegundos en componentes de combustible automotrices bajo el cofre.

Preguntas frecuentes

¿Por qué usar marcado láser en lugar de inyección de tinta para códigos de visión artificial?

Por la resolución y la permanencia. La inyección de tinta no indeleble no logra la resolución fina de bordes de línea que necesita la visión artificial, en particular en piezas pequeñas, y los expertos consideran que cerca de 25% de los códigos de visión artificial se leen mal por su baja calidad de resolución. Además, la mayoría de las tintas no se adhiere adecuadamente a plásticos de baja energía superficial, incluso con pretratamiento.

¿Qué ventaja tiene Data Matrix sobre un código de barras?

El tamaño y la resistencia. Para la misma cantidad de datos codificados, un Data Matrix ocupa de 1/10 a 1/100 del tamaño de un código de barras. Los datos se distribuyen por todo el símbolo, de modo que el código es aproximadamente mitad negro y mitad blanco, con probabilidades casi parejas de que el daño en una celda no afecte la legibilidad, y la corrección de errores integrada ayuda a recuperarse de daños en el símbolo.

¿Se pueden leer los códigos Data Matrix con un lector de códigos de barras?

No. Normalmente no existe un patrón de barrido que abarque todo el símbolo, por lo que el Data Matrix debe escanearse con un dispositivo de captura con cámara y no con un escáner láser.

¿Qué impulsó la adopción del marcado directo de piezas?

Los requisitos de trazabilidad e identificación única. Después del 11 de septiembre, los fabricantes comenzaron a implementar estrategias para establecer la trazabilidad y frenar la manipulación indebida y la falsificación, y el Departamento de Defensa de EE. UU. desarrolló MIL-STD-130 como práctica estándar para la propiedad militar. Los sectores comerciales adoptaron normas similares.

¿Qué datos puede contener realmente un código 2D pequeño?

En componentes de combustible automotrices bajo el cofre, un código de 1/6 de pulgada marcado en menos de 150 milisegundos contiene la trazabilidad completa del componente: lote de resina, máquina de moldeo, fecha, turno y hora, y resultados de la prueba de fugas del ensamble.

Tecnologías de marcado e impresión digitales frente a analógicas

El marcado directo de piezas que contiene información de identificación única requiere tecnología «digital», como el marcado láser, la inyección de tinta y el punzonado por puntos (dot peen). Cabe señalar que el etiquetado en molde y el etiquetado por transferencia térmica son procesos de dos pasos, significativamente más costosos que el marcado láser, y no se abordan en este artículo. Para muchos productos plásticos tridimensionales, el láser es el método preferido porque el proceso produce marcas indelebles de alto contraste y no requiere el costoso consumo de tintas y solventes ni un posterior curado. Los láseres pueden marcar con precisión los códigos de visión artificial de menor tamaño. Esto es importante para el micromarcado y cuando la superficie disponible en una pieza o componente es limitada para marcar caracteres alfanuméricos, logotipos o diagramas esquemáticos. Las operaciones Six Sigma robustas exigen que todos los productos sean legibles al 100 por ciento, ya sea por una persona o por visión artificial, sin importar el tamaño ni la complejidad del marcado.

Un excelente ejemplo de aplicación son los códigos Data Matrix 2D aplicados con láser en componentes y ensambles de combustible automotrices bajo el cofre, expuestos a entornos severos, normalmente de polímeros acetales, nylons y poliéster (Foto 1). El código de 1/6 de pulgada se marca en menos de 150 milisegundos. Los datos contenidos en el código incluyen la trazabilidad completa de la pieza (desde el lote de resina, la máquina de moldeo, la fecha-turno-hora y la prueba de fugas del ensamble).

Como explicó un ejecutivo del sector automotriz, «Muchos de los componentes de combustible de acetal bajo el cofre que diseñamos son compactos. El micromarcado indeleble de información crítica y de códigos Data Matrix cerca del final de las operaciones de ensamble automatizado, posteriores a la prueba de fugas en línea, tiene un gran valor en la industria. La identificación única de las piezas también beneficia la administración de inventarios internos del trabajo en proceso».

En comparación con el marcado láser sin contacto y los procesos de inyección de tinta, la tampografía y la serigrafía «analógicas» por transferencia de tinta no pueden producir un marcado indeleble ni una identificación única a nivel de unidad en la mayoría de los plásticos.

Además, el proceso conlleva costos variables recurrentes elevados de tintas, tampones (pads), clichés (placas de impresión) y productos químicos. Al comparar el marcado láser con la inyección de tinta, el ahorro en tintas y consumibles es similar. La inyección de tinta no indeleble no logra la resolución de bordes de línea fina, indispensable para la visión artificial, en particular en piezas pequeñas. Los expertos consideran que 25% de los códigos de visión artificial se leen mal por su baja calidad de resolución. Tenga presente que la mayoría de las tintas no se adhiere adecuadamente a muchos plásticos de baja energía superficial, incluso con pretratamiento. Esta condición existe tanto en los procesos de impresión con tinta digitales como en los analógicos.

¿Qué son los códigos de visión artificial? Los códigos legibles por máquina (de visión) contienen información que puede interpretarse mediante escáneres ópticos o cámaras. Un ejemplo conocido es el «código de barras» unidimensional, una representación de información, normalmente de contraste oscuro sobre fondo claro, que crea zonas de alta y baja reflectancia que se convierten en 1 y 0. Los formatos más comunes de códigos de barras almacenan los datos en los anchos y espaciamientos de líneas paralelas impresas (franjas negras y blancas).

Aunque los esquemas modernos de códigos de barras pueden contener conjuntos de caracteres ASCII, algunas manufacturas requieren códigos de visión artificial considerablemente más avanzados. El afán constante de codificar más información en espacios más pequeños ha llevado al desarrollo de los códigos bidimensionales «Data Matrix». Un láser (el que se usa en los códigos de barras) no puede leer los códigos Data Matrix, ya que normalmente no existe un patrón de barrido que abarque todo el símbolo. Los códigos Data Matrix deben escanearse con un dispositivo de captura con cámara. El Data Matrix 2D es el revolucionario código legible por máquina diseñado específicamente para superar las limitaciones de los códigos de barras. La Figura 1 muestra las diferencias entre los códigos 2D (Data Matrix y QR) y el código de barras.

Los códigos Data Matrix 2D son ideales para marcar piezas pequeñas y están diseñados para sobrevivir a entornos industriales severos. El tamaño de los códigos Data Matrix es de 1/10 a 1/100 el de un código de barras, con los mismos datos codificados. Muy poco espacio en una pieza puede contener datos de manufactura significativos para la trazabilidad del producto. Cada código es aproximadamente mitad negro y mitad blanco, con una probabilidad de 50/50 de que el daño en una celda no afecte la legibilidad. La alta redundancia del Data Matrix (los datos se distribuyen por todo el símbolo) y su resistencia a los defectos de impresión lo hacen muy confiable. Los esquemas de corrección de errores integrados en el algoritmo optimizan la capacidad de recuperarse de daños en el símbolo. Véase la Tabla 1.

Aditivos láser

Los aditivos láser para el infrarrojo cercano mejoran el grado de contraste, que puede intensificarse aún más al modificar los parámetros de configuración del láser. Los polímeros poseen características inherentes que producen un contraste de marcado «oscuro» o «claro». Algunos compuestos colorantes con bajas cantidades de dióxido de titanio (TiO₂) y negro de humo también pueden absorber la luz láser y, en algunos casos, mejorar el contraste de marcado. Cada grado de polímero, incluso dentro de la misma familia polimérica, puede producir resultados distintos. Las formulaciones de aditivos no pueden ser tóxicas ni afectar negativamente la apariencia ni las propiedades físicas o funcionales de los productos.

En comparación con los procesos de impresión con tinta (tampografía/serigrafía e inyección de tinta), los aditivos láser ahorran costos y pueden demostrar velocidades de marcado 20 por ciento superiores o más frente a materiales no optimizados. Los aditivos láser se suministran en gránulos (pellets) y en polvo. Los productos granulados pueden mezclarse directamente con la resina polimérica, mientras que las presentaciones en polvo se convierten en masterbatch. La mayoría se dispersa fácilmente en los polímeros. Según el aditivo y el polímero, la concentración de carga en peso (en la pieza final) va de 0.01 a 4.0 por ciento.

Algunos aditivos contienen mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio y trióxido de antimonio que pueden impartir un tinte «grisáceo» a la opacidad natural (sin color) del sustrato. Otros aditivos pueden contener partículas de aluminio, óxidos metálicos mixtos y compuestos patentados. Los ajustes de color se realizan con pigmentos y tintes para lograr la apariencia final de igualación de color. Tal como se suministran comercialmente, ciertos aditivos específicos (también utilizados para la soldadura láser) han recibido la aprobación de la FDA para contacto con alimentos y uso en empaques alimentarios bajo las condiciones A-H de 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers. Existen declaraciones de cumplimiento similares para la Unión Europea. Las condiciones de certificación son específicas según el tipo de polímero, el umbral del nivel de carga y el contacto directo o indirecto. Una calificación adicional de los aditivos aprobados por la FDA mezclados en una «pieza final» puede lograr la biocompatibilidad de dispositivos médicos.

Tecnología de láser de fibra de iterbio

Las mejoras en la tecnología láser han sido fundamentales para el rápido desarrollo de la nueva generación de aditivos láser aprobados por la FDA. La aparición de los láseres de fibra de iterbio de nanosegundos es uno de los avances más significativos para marcar, soldar y cortar. En esencia, los láseres de fibra son distintos de otros láseres de marcado de estado sólido bombeados por diodo (DPSS). En los láseres de fibra, el medio activo que genera el haz láser está disperso dentro de un cable de fibra óptica especializado. A diferencia de los láseres con entrega por fibra, todo el trayecto del haz se encuentra dentro del cable de fibra óptica hasta la óptica de entrega del haz. Esta estructura totalmente de fibra es en gran parte responsable de la confiabilidad y la robustez de estos láseres, lo que explica su rápido crecimiento.

Los láseres de fibra ofrecen una calidad de haz (M²) y un brillo superiores en comparación con los láseres Nd:YAG. Un láser con calidad de haz superior puede enfocarse a un tamaño de punto pequeño, lo que produce una alta densidad de energía. Los láseres de fibra de amplificador de potencia con oscilador maestro (MOPA) de pulso fijo y variable, con energía de pulso de hasta 1 mJ y alta densidad de potencia, pueden marcar muchos polímeros históricamente difíciles. Los láseres de vanadato también poseen un valor de M² pequeño, con un ancho de pulso más corto que los láseres de fibra fijos y YAG. La duración del pulso influye en el grado de calor y de carbonización en el material. Los pulsos cortos, normalmente de <40 ns, permiten un aporte de energía más controlado al procesar materiales poliméricos sensibles. Estos pulsos conservan la potencia pico para superar los umbrales del material, pero tienen menor energía de pulso para reducir el daño térmico localizado.

El desarrollo de aplicaciones es muy específico, ya que no existe una solución láser universal. Los láseres MOPA de duración de pulso corta pueden aprovechar plenamente el desempeño de los aditivos químicos sensibles aprobados por la FDA. El control espacial y temporal localizado del aporte de calor del láser y de la velocidad de dicho aporte permite alcanzar el máximo desempeño. El tipo de láser que se integra se determina por las características de salida del láser al interactuar con el material polimérico optimizado.

Sistemas de equipos láser

Los componentes de hardware y software que un fabricante de láseres incorpora en sus sistemas marcan una diferencia significativa en el contraste, la calidad y la velocidad de marcado. Un atributo primordial es la densidad de potencia (W/cm²) en la superficie de marcado (que es distinta de la potencia de salida bruta del láser). El modo de salida del haz láser es determinante para el desempeño del marcado. Estos modos de salida se relacionan con factores como la divergencia del haz y la distribución de potencia a lo largo del diámetro del haz láser.

La densidad de potencia depende del tamaño del punto láser enfocado. Para cualquier distancia focal de lente y longitud de onda del láser, el tamaño del punto láser enfocado depende de la divergencia del haz, la cual se controla mediante la configuración del láser, el tamaño de la apertura selectora de modo y el aumento del colimador ascendente (expansor de haz). La frecuencia de repetición de pulsos y la densidad de potencia pico son parámetros críticos para formar la marca y lograr el contraste y la velocidad óptimos. Las curvas aritméticas de potencia frente a frecuencia de repetición de pulsos son inversamente proporcionales. Una alta potencia pico a baja frecuencia eleva rápidamente la temperatura de la superficie y vaporiza el material, al tiempo que conduce un calor mínimo hacia el sustrato. Al aumentar la repetición de pulsos, una menor potencia pico produce una vaporización mínima pero conduce más calor. Otros factores que influyen en el contraste y la calidad del marcado son, por supuesto, la velocidad del haz y la distancia de separación entre líneas vectoriales.

Conclusión

Los sistemas modernos de visión artificial no son solo dispositivos de inspección independientes. Más bien, están integrados en operaciones de manufactura Six Sigma, incluidos los programas de métricas de control estadístico de la calidad. Los sistemas avanzados incorporan inteligencia artificial, que amplía aún más el campo de los láseres y los códigos de visión artificial. La poderosa combinación del marcado láser se considera decisiva para el éxito, al brindar retroalimentación del proceso y prevención de errores en productos con casi cero defectos.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: marcado láser, pretratamientos de superficies, pegado, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen desarrolla tecnologías pioneras y resuelve problemas de manufactura desde hace más de 30 años. Puede comunicarse al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com

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