Inovações em Marcação a Laser: Expandindo Horizontes em Automotivo, Petróleo & Gás e Saúde

Marcação a laser vai sob o mar, sob superfícies e ultrafrápida.

O bem estabelecido campo da marcação a laser continua a abrir novos caminhos com oportunidades de negócios em expansão nas indústrias automotiva, petróleo e gás, médica e outras.

Lasers ultrarrápidos — nos regimes de picossegundo e femtossegundo — estão emergindo como protagonistas em algumas aplicações médicas particularmente delicadas e federalmente mandatadas. Novas versões de software proprietário e sistemas de marcação customizados estão em demanda crescente. E uma nova parceria importante entre um provedor de sistemas relativamente jovem e um líder global em fios e chicotes demonstra ainda mais o ímpeto robusto da marcação a laser.

E, em consonância com o impulso rumo à Indústria 4.0, novas medidas de automação estão sendo lançadas para aumentar a vazão de produtos marcados a laser.

Em última análise, embora a marcação a laser decorativa tenha sido usada por algum tempo, a crescente necessidade de proteção de marca via marcação track-and-trace de códigos complexos em uma ampla gama de peças de alto valor torna a tecnologia mais vital do que nunca.

Crescendo Juntos

Para a Cajo Technologies, baseada na Finlândia, 2019 está se moldando para continuar o ímpeto do ano passado com uma nova parceria de vendas e distribuição com o gigante de fios e chicotes Anixter, bem como expandindo trabalho com cabos submarinos.

Essas indústrias dependem fortemente de marcação rápida on-the-fly, que continua sendo a aplicação de crescimento mais rápido da Cajo, segundo o Presidente Ismo Rantala. Em negócios desde 2010 e com sede nos EUA em Nova Orleans, a Cajo anuncia-se como o marcador a laser mais rápido do mundo — o que claramente chamou a atenção da Anixter.

A Anixter "é o maior distribuidor de fios do mundo", explicou Rantala, "e estoca mais de US$ 1 bilhão de fios ao redor do mundo." Ao trazer a expertise da Cajo internamente, a Anixter agrega valor para seus clientes, que podem obter fios pré-marcados ou um sistema de marcação Cajo direto do fornecedor de fios.

"A indústria de fios e chicotes descobriu que marcação on-the-fly é o futuro de marcação de tudo o que fazem", disse Rantala. Ele observou que 90% do tempo de inatividade em aplicações de marcação é tipicamente devido à falha de máquinas de tinta entupidas. Em contraste, lasers não têm consumíveis e podem rodar 100.000 horas, disse ele.

Enquanto isso, a Cajo — que vende principalmente para OEMs — está reforçando sua suíte de software proprietário, colocando-os no mesmo patamar de Trumpf e Rofin. A mais nova oferta de design da empresa é o CajoCAD 3.0. De fato, a prioridade de contratação da Cajo no momento é engenheiros de software, disse Rantala, com o objetivo de continuar melhorando velocidades de marcação de fios baseadas em especificações solicitadas pelos maiores fabricantes de fios da indústria.

A inovação contínua é particularmente importante para a Cajo devido à demanda em seus sistemas para marcação de cabos submarinos entre plataformas de petróleo e o continente. Estes cabos revestidos de plástico podem correr até 80 km (49 milhas), como no caso das linhas de energia, fluido e fibra óptica produzidas para a indústria de energia pela Aker Solutions da Noruega. Múltiplos cabos individuais podem ser alojados dentro de um cabo maior.

Para a Aker, a Cajo criou uma célula de marcação de três lasers que faz marcas em incrementos de 120° ao redor do cabo, para que as marcas indicando nome do projeto e comprimento do cabo possam ser vistas de qualquer ângulo. Como os cabos de fibra óptica não podem torcer e funcionar corretamente, uma única linha marcada no topo garante que permaneçam em sua orientação adequada. Outras marcações indicam a distância que uma porção particular do cabo está do navio, plataforma ou continente. "Isso é para troubleshooting; se algo acontece com qualquer cabo, eles podem pingar onde está o erro e ir consertar."

Em termos dos lasers em seus sistemas, a Cajo conta com unidades de fibra, que podem marcar "99% dos materiais", afirmou Rantala. "Podemos marcar linha de lay e marcação sequencial para cabos submarinos em PVC e outros materiais com lasers, e isso tem chamado a atenção de empresas que fazem estes produtos."

Curto e Preciso

Em escala muito menor em termos de tamanho de peça, a comunidade médica está começando a adotar lasers ultrarrápidos, ou de pulso ultracurto, nos regimes de picossegundo e até femtossegundo para marcar identificadores únicos de dispositivo (UDI) permanentes em dispositivos de aço inoxidável.

Enquanto lasers de nanossegundo têm tido sucesso em marcar produtos por algum tempo, observou Thorsten Ferbach, gerente de desenvolvimento de negócios da Coherent-Rofin, Santa Clara, Calif., seu impacto no aço inoxidável pode levar a corrosão com autoclavagem repetida. Então, embora lasers de picossegundo sejam um investimento significativo, eles mais do que se pagam na manufatura de dispositivos médicos de alto valor — onde uma falha nunca é uma opção.

Impulsionando esta tecnologia está a regulamentação da FDA que entrou em vigor em setembro de 2018 estipulando que dispositivos médicos requerendo múltiplas rodadas de esterilização possuam marcas que não degradem com o tempo. Os regulamentos visam garantir que médicos ao redor do mundo possam acessar os dados codificados nestas marcas. Falhas na leitura destes códigos geram registros no banco de dados da FDA, explicou Ferbach, e muitos relatórios para um dado produto podem resultar no fechamento da produção pela FDA como parte de uma grande investigação.

Para satisfazer esta demanda, a Coherent-Rofin tem otimizado seu laser de picossegundo Rapid NX, explicou Ferbach. Diferente de lasers de nanossegundo, que produzem marcas escuras criando óxido preto na superfície do material, a marcação de picossegundo altera a nanoestrutura subsuperficial de material como aço inoxidável 1.4301, aprisionando e absorvendo luz para produzir marcas de alto contraste.

"É similar em princípio à pele protetora de caças stealth", explicou Ferbach. "Quando você expõe aquela pele a feixes de radar, não há reflexão; o avião torna-se invisível." Com um dispositivo de aço inoxidável, as áreas tratadas com laser de picossegundo absorvem luz para aparecer como marcas escuras. E diferente de uma marca de óxido, que pode mudar de aparência dependendo do ângulo em que é vista, a marca negra subsuperficial parece a mesma de todos os ângulos.

Em termos de vazão e capacidade de monitorar o processo de marcação, não há diferença entre lasers de nanossegundo e picossegundo nesta aplicação, ele observou. Mas antes de um cliente iniciar um projeto, a Coherent-Rofin conduzirá um estudo de viabilidade. Isso garante que o laser de picossegundo esteja operando sob os parâmetros corretos para o trabalho e que o cliente entenda medidas de manutenção preventiva para estas unidades refrigeradas a água internamente.

Fora de dispositivos médicos, outras indústrias têm potencial para adotar a precisão de lasers de pulso ultracurto para marcação.

Design de cozinha contemporâneo, com seu foco em eletrodomésticos de aço inoxidável, é candidato ideal, notou Ferbach. "Você vê itens de aço inoxidável que são ou gravados ou impressos", explicou. Fabricantes desta indústria evitam lasers de nanossegundo atualmente devido à variabilidade mencionada de como marcas pretas aparecem quando vistas de ângulos diferentes. "Ainda temos que educar o mercado" sobre os benefícios de lasers ultrarrápidos.

Além de eletrodomésticos, ele continuou, OEMs de eletrônicos de consumo também estão adotando ultrarrápidos.

Em termos de materiais, lasers de picossegundo também podem marcar em titânio, especialmente para implantes; alumínio anodizado, frequentemente usado em dispositivos ortopédicos; e plásticos PEEK e PPSU.

Expandindo Portfólio e Mercados

A Dapra Marking Systems de Bloomfield, Conn., começou a fabricar seus próprios sistemas a laser há cerca de dois anos para capitalizar múltiplas oportunidades, variando de grandes OEMs a pequenos fabricantes customizados. De dispositivos de baixa potência à potência de marcação relativamente alta de 100 W, a Dapra expandiu ainda mais suas ofertas com nova linha de laser verde baseado em fibra e picossegundo.

"Entramos de cabeça e começamos a oferecer lasers de picossegundo porque quando você tem a aplicação certa e apenas picossegundo resolve, é um bom encaixe", disse Dave Noonan, diretor de vendas e aplicações a laser. "Pense em marcação UV como marcação a frio porque há assinatura de calor muito pequena. Com lasers de picossegundo, é como isso com esteroides."

A empresa também está oferecendo um gabinete com slide programável montado na parede traseira. Este slide no eixo X permite mover a cabeça do laser por uma distância muito maior. Um slide típico permite movimento de 30" (762 mm), explicou Noonan, permitindo marcação de mais peças ou peças muito longas como cano de rifle ou série de canos. Isso contrasta com áreas de marcação quadradas mais costumeiras de aproximadamente 110-170 mm.

Enquanto isso, uma nova adição à suíte de software da Dapra permite indexação rotativa mais rápida de peças cilíndricas como ferramentas cirúrgicas. "Se você tem uma sonda e precisa de anéis marcados na sonda para saber quão profundo ela vai no tecido, estes anéis têm que ser colocados de maneira muito consistente", explicou Noonan. "Um típico 'terceiro eixo' para marcação de anéis requer que você marque e então indexe; não permite fazer ambos ao mesmo tempo. (Nosso novo software) nos permite marcar e girar ao mesmo tempo", superando uma luta antiga para fabricantes, e a custo menor que software verdadeiro on-the-fly.

Além de suas opções de software e gabinetes customizados, a Dapra desenvolveu um novo controlador que pode ser instalado em qualquer de seus gabinetes para qualquer potência a laser. "É muito modular na natureza", disse Noonan. O mesmo controlador é usado para ofertas Classe 4 também, que se tornaram bastante populares.

Sistemas da Dapra rapidamente encontraram adotantes para aplicações médicas, aeroespacial, automotiva, fabricação de engrenagens e equipamentos agrícolas pesados.

"Aeroespacial é um setor que estava bastante quente ano passado e parece estar ficando vermelho quente neste ano", ele notou. A indústria historicamente inclinou-se para marcação por micropercussão, adicionou ele, dadas regulamentações que ditam marcação de baixo estresse. "Estamos vendo um aumento de interesse da indústria aeroespacial em marcar maior número de peças e projetos muito maiores chegando."

Enquanto esses projetos tendem a vir de grandes players, pequenos fabricantes customizados também estão vindo à tona — o que está levando a Dapra a introduzir uma linha de produtos para atender suas necessidades.

"Acabei de estar em uma instalação na Flórida onde vendemos um laser para um pequeno fabricante médico" com apenas um funcionário e meio, ele relembrou. "Ele está fazendo pinos de tração, bandejas cirúrgicas, parafusos ósseos e mais. No passado, lasers eram muito caros para um pequeno player como este; não mais. É um novo mundo e temos soluções relevantes."

À medida que preços de lasers caem, Noonan disse, a Dapra espera um ano ainda maior em 2019 à medida que mais fabricantes conseguem adicionar marcação a laser ao seu repertório.

Uma área notável de crescimento tem sido na marcação automatizada de plásticos, disse ele. Uma oficina de injeção "está retirando de duas a quatro peças de um molde e apresentando-as uma a uma a um laser in-line para marcação de datamatrix." O sistema confirma a legibilidade das marcas antes que as peças sejam levadas ou, se ilegíveis, o sistema atua uma sequência para executar uma segunda marca.

E, no último ano, fabricantes de engrenagens recorreram a sistemas de marcação a laser Dapra no lugar de micropercussão para reduzir seus custos "grandemente, e estão entusiasmados com o valor de produção que lasers trouxeram à mesa."

Enquanto marcação por micropercussão é menos custosa, traz consigo questões de fixação de peça e desgaste do pino de marcação de carboneto com resultante degradação da clareza da marcação. "O método sem contato de marcação a laser é realmente superior e sendo adotado por boa razão: Você não tem peças que se desgastam, e suas marcas são incrivelmente repetíveis e confiáveis."

Soluções Orientadas a Dados

Rastrear todos esses dados marcados é tão importante quanto fazer as marcas, e a transferência bidirecional de informações críticas entre software e dispositivos de marcação é elemento chave no design do sistema. Criar e assegurar essa cadeia bidirecional de comunicação é essencial para permitir que engenheiros de manufatura e os responsáveis por manter produtividade no chão de fábrica rastreiem dados relevantes, afirmou Dave Sweet, presidente da Mecco, Cranberry Township, Pa.

Por exemplo, em componentes aeroespaciais marcados a laser para Honeywell, "estamos obtendo dados variáveis de um banco de dados de sistema. Software empresarial nos envia essa informação, e não apenas marcamos as peças mas também usamos sistemas de visão para verificar que a informação que marcamos nas peças corresponde ao que nos foi enviado." O sistema da Mecco então gera um relatório armazenado para o governo registrar aqueles UDIs.

Segundo estudo de caso da Mecco do projeto Honeywell, o sistema de laser de fibra SMARTmark de 20 W "conecta em qualquer lugar usando 120 VDC e ocupa metade da pegada do antigo YAG flatbed." Além disso, notificações de qualidade relacionadas a marcação e retornos que custavam US$ 2.500 por incidente caíram significativamente.

No mundo automotivo, Sweet notou, peças relacionadas a segurança e aquelas de certos valores monetários recebem marcas de identificador único — todas rastreadas ao número de identificação do veículo. Isso inclui comandos de válvulas, virabrequins, blocos, caixas de transmissão e até conectores. Após marcar esses componentes com códigos de barras, aquelas "relações parent-child" são registradas em banco de dados que eventualmente vincula toda aquela informação ao VIN.

Conectividade de sistemas de marcação estende-se cada vez mais a operar junto a robôs colaborativos, ou cobots. A MECCO instalou recentemente um sistema que usa um cobot para pegar peças de uma bandeja e segurá-las para escaneamento por sistema de visão. O sistema de visão envia informação ao marcador a laser, então o cobot traz a peça ao laser para marcação. Após um lado ser marcado, o cobot traz a peça a uma câmera para verificar que as marcas estão precisas antes que cada outro lado da peça seja marcado.

"A necessidade de rastreabilidade ainda está crescendo", disse Sweet. "Clientes buscam mais por sistemas baseados em solução do que apenas um laser numa caixa", significando que o mercado para abordagens modulares, baseadas em configuração, para atender necessidades cada vez mais específicas de flexibilidade de manufatura continuará a crescer.

A Mecco geralmente baseia cerca de 80% de seus sistemas em quatro tamanhos básicos de gabinete aos quais podem ser adicionados discos rotativos de 6, 18, 24 ou 36" (152, 457, 610 ou 914 mm) que circulam continuamente peças frescas para marcação. Cada gabinete também tem opção de mesa X-Y. Os outros aproximadamente 20% dos sistemas da Mecco podem ser customizados, incluindo com interfaces gráficas simplificadas que permitem operadores carregar e monitorar jobs.

Por exemplo, um cliente recente de fabricação de ferramentas precisava cobrir uma bandeja de peças de 30 x 30" (762 x 762 mm), o que requeria gabinete extra-grande da Mecco e sistema gantry X-Y-Z. "Em vez de terem que comprar múltiplos lasers, conseguiram comprar um laser, carregar este sistema, dar go, e ir embora."

Em outro caso, uma empresa de medidor de água usou combinação de micropercussão e marcação a laser com estação de trabalho rotativa de quatro posições. Uma carcaça de latão teve número de série marcado com micropercussão, e um laser duplicou aquele número de série na tampa de plástico preto.

Design adequado de sistema claramente compensa, como no caso de um cliente médico da Mecco que atualizou de lasers de diodo antigos para sistema de fibra e viu tempo de ciclo geral da máquina cair de 18 segundos para menos de 11 segundos, com melhor qualidade de marca que permitiu melhor inspeção visual com scanners portáteis.

Some a isso o fato de Sweet ver mais pequenas oficinas investindo em robôs para acompanhar seus sistemas, e fica claro que marcação a laser tornou-se e continuará a se desenvolver como operação industrial robusta e indispensável.