Innovaciones en marcado láser: expandiendo horizontes en automoción, petróleo y gas, y sanidad

El marcado láser va bajo el mar, bajo superficies y ultrarrápido.

El bien establecido campo del marcado láser continúa rompiendo nuevo terreno con oportunidades de negocio en expansión en automoción, petróleo y gas, médico y otras industrias.

Los láseres ultrarrápidos —aquellos en régimen de picosegundo y femtosegundo— están emergiendo como actores clave en aplicaciones médicas particularmente delicadas y obligatorias por regulación federal. Nuevas versiones de software propietario y sistemas de marcado personalizados están en creciente demanda. Y una nueva asociación importante entre un proveedor de sistemas relativamente joven y un líder global en cables y arneses demuestra aún más el robusto impulso del marcado láser.

Y, en consonancia con el impulso hacia la Industria 4.0, se están implementando nuevas medidas de automatización para aumentar el rendimiento de productos marcados con láser.

En última instancia, aunque el marcado láser decorativo lleva tiempo en uso, la creciente necesidad de protección de marca mediante marcado de trazabilidad de códigos complejos en una amplia gama de piezas de alto valor hace que la tecnología sea más vital que nunca.

Creciendo juntos

Para Cajo Technologies con base en Finlandia, 2019 se perfila para continuar el impulso del año pasado con una nueva asociación de ventas y distribución con el gigante de cables y arneses Anixter, así como expansión del trabajo con cables submarinos.

Esas industrias dependen en gran medida del marcado rápido en vuelo, que sigue siendo la aplicación de más rápido crecimiento de Cajo, según el presidente Ismo Rantala. En negocio desde 2010 y con sede en EE. UU. en Nueva Orleans, Cajo se autodenomina el marcador láser más rápido del mundo —lo que claramente captó la atención de Anixter.

Anixter "es el mayor distribuidor de cables del mundo", explicó Rantala, "y almacenan más de 1.000 millones de dólares en cables alrededor del mundo". Al traer la experiencia de Cajo internamente, Anixter añade valor para sus clientes, que pueden obtener cables premarcados o un sistema de marcado Cajo directamente del proveedor de cables.

"La industria de cables y arneses ha descubierto que el marcado en vuelo es el futuro del marcado de todo lo que hacen", dijo Rantala. Señaló que el 90% del tiempo de inactividad en aplicaciones de marcado se debe típicamente al fallo de máquinas de tinta obstruidas. En contraste, los láseres no tienen consumibles y pueden funcionar 100.000 horas, dijo.

Mientras tanto, Cajo —que vende principalmente a OEMs— está reforzando su suite de software propietario, poniéndolos en el mismo ámbito que Trumpf y Rofin. La oferta de diseño más nueva de la empresa es CajoCAD 3.0. De hecho, la prioridad de contratación de Cajo en este momento son ingenieros de software, dijo Rantala, con el objetivo de seguir mejorando velocidades de marcado de cable basadas en especificaciones solicitadas por los mayores fabricantes de cables de la industria.

La innovación continua es particularmente importante para Cajo debido a la demanda en sus sistemas para marcar cables submarinos entre plataformas petrolíferas y tierra firme. Estos cables recubiertos de plástico pueden llegar hasta 80 km (49 millas), como en el caso de las líneas de fibra óptica de potencia y fluidos producidas para la industria energética por Aker Solutions de Noruega. Múltiples cables individuales pueden alojarse dentro de un cable mayor.

Para Aker, Cajo creó una celda de marcado de tres láseres que hace marcas a incrementos de 120° alrededor del cable, para que las marcas que indican nombre de proyecto y longitud de cable puedan verse desde cualquier ángulo. Dado que los cables de fibra óptica no pueden torcerse y funcionar correctamente, una única línea marcada en la parte superior asegura que permanezcan en su orientación adecuada. Otros marcados indican la distancia a la que una porción particular del cable está del barco, plataforma o tierra firme. "Eso es para solución de problemas; si algo pasa con cualquier cable, pueden hacer ping donde está el error e ir a arreglarlo."

En cuanto a los láseres en sus sistemas, Cajo confía en unidades de fibra, que pueden marcar "el 99% de materiales", afirmó Rantala. "Podemos marcar línea de tendido y marcado secuencial para cables submarinos en PVC y otros materiales con láseres, y eso ha llamado la atención entre empresas que hacen estos productos."

Corto y afilado

En una escala mucho menor en términos de tamaño de pieza, la comunidad médica está comenzando a adoptar láseres ultrarrápidos, o de pulso ultracorto, en régimen de picosegundo e incluso femtosegundo para marcar identificadores únicos de dispositivo (UDI) permanentes en dispositivos de acero inoxidable.

Aunque los láseres de nanosegundo han tenido éxito marcando productos por algún tiempo, señaló Thorsten Ferbach, gerente de desarrollo de negocio para Coherent-Rofin, Santa Clara, Calif., su impacto en acero inoxidable puede llevar a corrosión con autoclaveado repetido. Así, aunque los láseres de picosegundo son una inversión significativa, más que se pagan solos en la fabricación de dispositivos médicos de alto valor —donde un fallo nunca es una opción.

Impulsa esta tecnología la regulación FDA que entró en vigor en septiembre de 2018 estipulando que dispositivos médicos que requieren múltiples rondas de esterilización lleven marcas que no se degraden con el tiempo. Las regulaciones pretenden garantizar que médicos de todo el mundo puedan acceder a los datos codificados en estas marcas. Los fallos en la lectura de estos códigos generan registros en la base de datos FDA, explicó Ferbach, y demasiados informes para un producto dado pueden resultar en que la FDA cierre la producción como parte de una investigación mayor.

Para satisfacer esta demanda, Coherent-Rofin ha estado optimizando su láser de picosegundo Rapid NX, explicó Ferbach. A diferencia de los láseres de nanosegundo, que producen marcas oscuras creando óxido negro en la superficie de un material, el marcado de picosegundo altera la nanoestructura subsuperficial de material como acero inoxidable 1.4301, atrapando y absorbiendo luz para producir marcas de alto contraste.

"Es similar en principio a la piel protectora de cazas furtivos", explicó Ferbach. "Cuando expones esa piel a haces de radar, no hay reflexión; el avión se vuelve invisible." Con un dispositivo de acero inoxidable, las áreas tratadas con láser de picosegundo absorben luz para aparecer como marcas oscuras. Y a diferencia de una marca de óxido, que puede cambiar de apariencia según el ángulo desde el que se vea, la marca negra subsuperficial se ve igual desde todos los ángulos.

En términos de rendimiento y capacidad de monitorizar el proceso de marcado, no hay diferencia entre el láser de nanosegundo y picosegundo en esta aplicación, señaló. Pero antes de que un cliente inicie un proyecto, Coherent-Rofin realizará un estudio de factibilidad. Esto asegura que el láser de picosegundo opere bajo los parámetros correctos para el trabajo y que el cliente entienda medidas de mantenimiento preventivo para estas unidades refrigeradas por agua internamente.

Fuera de dispositivos médicos, otras industrias tienen el potencial de adoptar la precisión de láseres de pulso ultracorto para marcado.

El diseño de cocina contemporáneo, con su enfoque en electrodomésticos de acero inoxidable, es un candidato ideal, señaló Ferbach. "Ves artículos de acero inoxidable que son o bien grabados o impresos", explicó. Los fabricantes en esta industria evitan láseres de nanosegundo actualmente debido a la mencionada variabilidad de cómo aparecen las marcas negras cuando se ven desde diferentes ángulos. "Aquí es donde todavía tenemos que educar al mercado" sobre los beneficios de láseres ultrarrápidos.

Además de electrodomésticos, continuó, los OEMs de electrónica de consumo también están adoptando ultrarrápidos.

En términos de materiales, los láseres de picosegundo también pueden marcar en titanio, especialmente para implantes; aluminio anodizado, a menudo usado en dispositivos ortopédicos; y plásticos PEEK y PPSU.

Ampliando cartera y mercados

Dapra Marking Systems de Bloomfield, Conn., comenzó a fabricar sus propios sistemas láser hace unos dos años para capitalizar múltiples oportunidades, desde grandes OEMs hasta pequeños fabricantes personalizados. Desde dispositivos de baja potencia hasta la potencia de marcado relativamente alta de 100 W, Dapra ha expandido aún más sus ofertas con una nueva línea de láser verde basado en fibra y de picosegundo.

"Nos subimos al carro y comenzamos a ofrecer láseres de picosegundo porque cuando tienes la aplicación correcta y solo el picosegundo lo hace, es un buen ajuste", dijo Dave Noonan, director de ventas y aplicaciones láser. "Piensa en marcado UV como marcado en frío porque hay una firma de calor muy pequeña. Con láseres de picosegundo, es como eso con esteroides."

La empresa también ofrece un recinto con un deslizador programable montado en la pared trasera. Este deslizador en eje X permite mover el cabezal láser a una distancia mucho mayor. Un deslizador típico permite movimiento de 30" (762 mm), explicó Noonan, permitiendo el marcado de más piezas o piezas muy largas como un cañón de rifle o serie de cañones. Esto contrasta con áreas de marcado cuadradas más habituales de aproximadamente 110-170 mm.

Mientras tanto, una nueva adición a la suite de software de Dapra permite indexado rotativo más rápido de piezas cilíndricas como herramientas quirúrgicas. "Si tienes una sonda y necesitas anillas puestas en la sonda para saber qué profundidad va en el tejido, estas anillas tienen que ponerse de manera muy consistente", explicó Noonan. "Un típico 'tercer eje' para marcar anillas requiere que marques y luego indexes; no te permite hacer ambas a la vez. (Nuestro nuevo software) nos permite marcar y girar al mismo tiempo", superando una lucha prolongada para fabricantes, y a menor coste que software verdadero en vuelo.

Además de sus opciones de software y gabinetes personalizados, Dapra ha desarrollado un nuevo controlador que puede insertarse en cualquiera de sus gabinetes para cualquier potencia láser. "Es muy modular por naturaleza", dijo Noonan. El mismo controlador se usa para ofertas Clase 4 también, que se han vuelto bastante populares.

Los sistemas de Dapra han encontrado adoptadores rápidos para aplicaciones médicas, aeroespaciales, automotrices, fabricación de engranajes y equipos agrícolas pesados.

"Aeroespacial es un sector que estuvo bastante caliente el año pasado y parece ponerse rojo vivo este año", señaló. La industria históricamente se ha inclinado hacia marcado por micropunteo, añadió, dadas regulaciones que dictan marcado de baja tensión. "Estamos viendo un aumento de interés de la industria aeroespacial en marcar mayor número de piezas y proyectos mucho más grandes llegando."

Aunque esos proyectos tienden a venir de grandes actores, pequeños fabricantes personalizados también están saliendo a la luz —lo que lleva a Dapra a introducir una línea de producto para satisfacer sus necesidades.

"Acabo de estar en una instalación en Florida donde vendimos un láser a un pequeño fabricante médico" con solo empleado y medio, recordó. "Hace pines de tracción, bandejas quirúrgicas, tornillos óseos y más. En el pasado, los láseres eran demasiado caros para un pequeño jugador como este; ya no. Es un nuevo mundo y tenemos soluciones relevantes."

A medida que los precios de láser bajan, Noonan dijo, Dapra espera un año aún mayor en 2019 ya que más fabricantes pueden añadir marcado láser a su repertorio.

Un área de crecimiento notable ha sido en el marcado automatizado de plásticos, dijo. Una tienda de moldeo por inyección está "sacando de dos a cuatro piezas de un molde y presentándolas una a la vez a un láser en línea para marcar una datamatrix". El sistema confirma la legibilidad de las marcas antes de que las piezas se retiren o, si no son legibles, el sistema acciona una secuencia para ejecutar una segunda marca.

Y, durante el último año, fabricantes de engranajes han recurrido a sistemas de marcado láser Dapra en lugar de micropunteo para reducir sus costes "enormemente, y están encantados con el valor de producción que los láseres han traído a la mesa."

Aunque el micropunteo es menos costoso, trae consigo problemas de sujeción de pieza y desgaste del punzón de marcado de carburo con degradación resultante de claridad de marcado. "El método sin contacto del marcado láser es realmente superior y se adopta por buenas razones: no tienes piezas que se desgasten, y tus marcas son increíblemente repetibles y fiables."

Soluciones basadas en datos

Rastrear todos esos datos marcados es tan importante como hacer las marcas, y la transferencia bidireccional de información crítica entre software y dispositivos de marcado es un elemento clave en el diseño del sistema. Crear y asegurar esa cadena bidireccional de comunicación es esencial para permitir a ingenieros de fabricación y responsables de mantener productividad en planta rastrear datos relevantes, afirmó Dave Sweet, presidente de Mecco, Cranberry Township, Pa.

Por ejemplo, en componentes aeroespaciales marcados con láser para Honeywell, "obtenemos datos variables de una base de datos del sistema. Software empresarial nos envía esa información, y no solo marcamos las piezas sino que también usamos sistemas de visión para verificar que la información que marcamos en las piezas coincide con lo que se nos envió". El sistema de Mecco entonces genera un informe que se almacena para que el gobierno registre esos UDIs.

Según el caso de estudio de Mecco del proyecto Honeywell, el sistema de láser de fibra SMARTmark de 20 W "se enchufa en cualquier lado usando 120 VDC y ocupa la mitad de la huella del antiguo YAG de mesa plana". Además, notificaciones de calidad relacionadas con marcado y devoluciones que costaban 2.500 dólares por incidente han caído significativamente.

En el mundo automotriz, Sweet señaló, piezas relacionadas con seguridad y aquellas de ciertos importes en dólares obtienen marcas de identificador único —todo rastreado al número de identificación del vehículo. Esto incluye árboles de levas, cigüeñales, bloques, cajas de transmisión e incluso conectores. Tras marcar esos componentes con códigos de barras, esas "relaciones padre-hijo" se registran en una base de datos que eventualmente une toda esa información al VIN.

La conectividad de sistemas de marcado se extiende cada vez más a operar junto a robots colaborativos, o cobots. MECCO instaló recientemente un sistema que usa un cobot para recoger piezas de una bandeja y sostenerlas para escaneo por un sistema de visión. El sistema de visión envía información al marcador láser, luego el cobot lleva la pieza al láser para marcar. Tras marcar un lado, el cobot lleva la pieza a una cámara para verificar que las marcas son precisas antes de marcar cada otro lado de la pieza.

"La necesidad de trazabilidad sigue creciendo", dijo Sweet. "Los clientes buscan más sistemas basados en soluciones que solo un láser en una caja", significando que el mercado para enfoques modulares basados en configuración para satisfacer necesidades cada vez más específicas de flexibilidad de fabricación seguirá creciendo.

Mecco basa generalmente alrededor del 80% de sus sistemas en cuatro tamaños básicos de recinto a los que pueden añadirse diales rotativos de 6, 18, 24 o 36" (152, 457, 610 o 914 mm) que circulan continuamente piezas frescas para marcar. Cada recinto también tiene opción de mesa X-Y. El otro aproximadamente 20% de los sistemas de Mecco pueden personalizarse, incluyendo interfaces gráficas de usuario simplificadas que permiten a operadores cargar y monitorizar trabajos.

Por ejemplo, un cliente reciente de fabricación de herramientas necesitaba cubrir una bandeja de 30 x 30" (762 x 762 mm) de piezas, lo que requería el recinto extra grande de Mecco y sistema gantry X-Y-Z. "En lugar de tener que comprar múltiples láseres, pudieron comprar un láser, cargar este sistema, dar a ir, y irse."

En otro caso, una empresa de medidores de agua usó una combinación de micropunteo y marcado láser con una estación de trabajo rotativa de cuatro posiciones. Una carcasa de latón tenía un número de serie marcado con micropunteo, y un láser duplicaba ese número de serie en la tapa de plástico negro.

El diseño de sistema adecuado claramente da resultados, como en el caso de un cliente médico de Mecco que actualizó de láseres diodo antiguos a un sistema de fibra y vio el tiempo de ciclo de máquina total caer de 18 segundos a menos de 11 segundos, con mejor calidad de marca que permitió mejor inspección visual con escáneres de mano.

Añade a eso el hecho de que Sweet ve más pequeños talleres invirtiendo en robots para acompañar sus sistemas, y está claro que el marcado láser se ha convertido y continuará desarrollándose como una operación industrial robusta e indispensable.