Marcado láser y códigos de visión artificial para la seguridad del producto y la trazabilidad

Marcado láser y códigos de visión artificial para la seguridad del producto y la trazabilidad

Los requisitos de la manufactura industrial en materia de marcado directo de piezas indeleble que contenga códigos de visión artificial crecen de forma exponencial. El marcado directo de piezas permite rastrear un producto desde su manufactura hasta el final de su vida útil. Esta demanda obedece a los crecientes requisitos de trazabilidad de componentes y de identificación única de productos (UID). Después del 11 de septiembre, los fabricantes han puesto en marcha estrategias para establecer la trazabilidad y frenar la manipulación indebida y la falsificación de productos. El Departamento de Defensa de EE. UU. (DoD) cuenta con la norma MIL-STD-130M como práctica estándar para la propiedad militar. Más allá de los requisitos militares del DoD, los fabricantes de productos industriales comerciales, desde el sector automotriz, de empaque, farmacéutico y electrónico hasta el de bienes de consumo, están adoptando con decisión normas similares.

El marcado directo de piezas que contiene información de identificación única requiere tecnologías de proceso digitales, como la impresión por inyección de tinta, el punzonado por puntos (dot peen) y el marcado láser. Para muchos productos plásticos tridimensionales, el láser es el método preferido porque genera marcas indelebles de alto contraste y no requiere el costoso consumo de tintas y solventes ni un posterior curado. Además, los láseres pueden marcar los códigos de visión artificial de menor tamaño. Esto es importante para el micromarcado o cuando la superficie disponible en una pieza o componente es limitada para marcar caracteres alfanuméricos, logotipos o diagramas esquemáticos. Las operaciones de manufactura 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 de detalle del marcado.

Puntos clave

• El marcado directo de piezas rastrea un producto desde su manufactura hasta el final de su vida útil, que es justo lo que exige la identificación única.
• MIL-STD-130M es la norma del DoD, y los sectores comerciales, del automotriz al de empaque, la han seguido.
• Data Matrix ocupa de 1/10 a 1/100 del tamaño de un código de barras para la misma cantidad de datos codificados.
• La redundancia está integrada en el diseño. Los datos se distribuyen por todo el símbolo, con corrección de errores para recuperarse ante daños.
• Un código de un cuarto de pulgada se marca en aproximadamente 200 milisegundos en componentes de combustible automotrices bajo el cofre.

Preguntas frecuentes

¿Qué es un código de visión artificial?

Es información codificada que interpretan escáneres ópticos o cámaras. El conocido código de barras unidimensional representa los datos como contraste oscuro sobre fondo claro, lo que crea zonas de alta y baja reflectancia que se convierten en unos y ceros, con los datos almacenados en los anchos y espaciamientos de líneas paralelas. Los patrones más recientes utilizan puntos, círculos concéntricos y texto oculto dentro de imágenes.

¿Por qué usar Data Matrix en lugar de un código de barras en piezas pequeñas?

Por su tamaño y su resistencia. Para la misma cantidad de datos codificados, un Data Matrix ocupa solo de 1/10 a 1/100 del tamaño de un código de barras, de modo que muy poca superficie de la pieza puede contener datos de manufactura significativos. Cada código es aproximadamente mitad negro y mitad blanco, lo que da una probabilidad de 50/50 de que el daño en una celda no afecte la legibilidad, y la corrección de errores ayuda a recuperarse de defectos.

¿Qué plásticos se marcan normalmente para trazabilidad?

Acetales, nylons, poliolefinas, policarbonatos, poliésteres y estirénicos: todos son materiales químicamente inertes, no polares y de baja energía superficial, que es precisamente la razón por la que se prefiere el marcado láser frente a los procesos con tinta que requieren pretratamiento y curado.

¿Qué datos lleva un código automotriz bajo el cofre?

Trazabilidad completa del componente: lote de resina, máquina de moldeo, fecha, turno y hora, y resultados de la prueba de fugas del ensamble. Un código de un cuarto de pulgada se marca en unos 200 milisegundos.

¿Qué impulsó el crecimiento del marcado directo de piezas?

Los requisitos de trazabilidad e identificación única. Tras el 11 de septiembre, los fabricantes implementaron estrategias para establecer la trazabilidad y frenar la manipulación indebida y la falsificación, con MIL-STD-130M como práctica estándar del Departamento de Defensa y con fabricantes comerciales que adoptan equivalentes.

¿Qué son los códigos de visión artificial?

Los códigos legibles por máquina (de visión) son información codificada 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). Sin embargo, también se utilizan patrones más nuevos de puntos, círculos concéntricos y códigos de texto ocultos dentro de imágenes. En Estados Unidos, el UPC (Universal Product Code) es el uso más conocido y difundido de los códigos de barras en productos de venta al menudeo y de consumo.

Aunque los esquemas modernos de códigos de barras pueden contener el conjunto de caracteres ASCII, en los sectores de manufactura, electrónica, aeroespacial, automotriz, farmacéutico, etc., se necesitan códigos de visión artificial considerablemente más avanzados. El afán constante de codificar más información en menos espacio 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. 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 el Data Matrix 2D y el código de barras.

Comparación entre el código 2D y el código de barras

Los códigos Data Matrix 2D son ideales para el marcado de piezas pequeñas y están diseñados para sobrevivir a entornos industriales severos. El tamaño de los códigos Data Matrix es de solo 1/10 a 1/100 del de un código de barras con los mismos datos codificados. Por ello, se necesita muy poco espacio en una pieza para 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. La Figura 2 compara el código Data Matrix con el código de barras.

Marcado láser

Este apartado se centra en el uso de códigos Data Matrix 2D en piezas y ensambles tridimensionales fabricados con plásticos (incluidos acetales, nylons, poliolefinas, policarbonatos, poliésteres, estirénicos, etc.). Estos tipos de plásticos son químicamente inertes y no polares, con bajas energías superficiales. Para el marcado directo de piezas, los láseres Nd:YAG ofrecen ventajas frente a los procesos con tinta, como la impresión por inyección de tinta, que requieren pretratamiento de superficies y curado. Los láseres Nd:YAG de haz dirigido («YAG») con longitud de onda de 1064 nm (espectro del infrarrojo cercano) son populares en la industria del marcado láser por su longitud de onda de emisión, su desempeño de potencia y su versatilidad. Esto se traduce en mayores velocidades de marcado, mejor calidad y mayor producción.

Como referencia, los láseres CO₂ de onda continua (CW) operan a una longitud de onda de 10.6 µm (espectro del infrarrojo lejano). Los láseres CO₂ generan una potencia pico comparativamente mucho menor que los láseres YAG, por lo que no pueden producir marcas de alto contraste en la mayoría de los plásticos. Cabe señalar que los láseres CO₂ se utilizan comúnmente para marcar códigos de barras y códigos matriciales en etiquetas, papel y para la ablación de tinta.

El mecanismo del marcado láser consiste en irradiar el polímero con una fuente localizada de radiación de alta energía (láser). El material absorbe la energía radiante y la convierte en energía térmica. La energía térmica induce reacciones en el material. No todos los láseres YAG de haz dirigido son iguales.

Los componentes de hardware y software que un fabricante de láseres incorpora en sus sistemas marcan una diferencia significativa en la calidad y la velocidad de marcado. Un atributo primordial es la densidad de potencia (watts/cm²) en la superficie de marcado (que es distinta de la potencia de salida bruta del láser). Los marcadores láser Nd:YAG de haz dirigido (con fuentes de luz de lámpara de arco y de diodo) utilizan espejos montados en galvanómetros controlados por computadora de alta velocidad para dirigir el haz láser sobre la superficie a marcar, de manera muy similar a escribir con lápiz y papel. Cada galvanómetro, uno en el eje Y y otro en el eje X, proporciona el movimiento del haz dentro del campo de marcado. Un conjunto de lente de campo plano enfoca la luz láser para lograr una alta densidad de potencia en la superficie del sustrato. La Figura 3 muestra el sistema óptico de suministro del haz con galvanómetros controlados por computadora.

El modo de salida del haz láser es determinante para el desempeño del marcado. Los fabricantes pueden suministrar láseres multimodo, TEM00 (modo electromagnético transversal) o cualquier punto intermedio, incluido el modo de bajo orden. 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. Los láseres de bajo orden y de modo TEM00 son especialmente adecuados para el marcado vectorial de alta velocidad de Data Matrix y códigos de barras, caracteres alfanuméricos de un solo trazo, fuentes TrueType rellenas y gráficos complejos, gracias a que logran un punto enfocado pequeño que produce una línea muy delgada con bordes bien definidos.

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 (mediante un Q-switch acusto-óptico) y la densidad de potencia pico son parámetros críticos para formar la marca y lograr el contraste y la velocidad óptimos. 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. La velocidad del haz también es un factor crítico.

El uso de aditivos láser mejorará y optimizará el contraste de los códigos de visión artificial y reducirá los tiempos de ciclo de marcado. Estos factores, en última instancia, ahorran dinero y aumentan la producción de manufactura. Las soluciones de ciencia de materiales son rentables, fáciles de usar y, con la formulación adecuada, no tienen efectos perjudiciales en las propiedades físicas y químicas de los productos poliméricos.

Aplicaciones

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 acetales, nylons y poliésteres). Como se muestra en el Ejemplo A, página 32, el código de ¼ de pulgada se marca en unos 200 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). Los nuevos avances tecnológicos en el marcado láser de acetales amplían aún más el campo de la serialización y la trazabilidad de productos. Ejemplo B: 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 (W.I.P.)».

Los sistemas modernos de visión artificial no son solo dispositivos de inspección independientes. Más bien, están integrados en operaciones de manufactura total 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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