Marcatura laser e codici di visione artificiale per la sicurezza e la tracciabilità dei prodotti

Marcatura laser e codici di visione artificiale per la sicurezza e la tracciabilità dei prodotti

I requisiti dell'industria manifatturiera per la marcatura diretta indelebile dei componenti con codici di visione artificiale crescono in modo esponenziale. La marcatura diretta dei componenti consente di seguire un prodotto dal momento della produzione fino al termine della sua vita utile. Questa domanda è alimentata dai requisiti sempre più stringenti di tracciabilità dei componenti e di identificazione univoca del prodotto (UID). Dopo l'11 settembre, i produttori adottano strategie per stabilire la tracciabilità e contrastare la manomissione e la contraffazione dei prodotti. Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DoD) ha adottato la MIL-STD-130M come pratica standard per i beni militari. Oltre ai requisiti militari del DoD, i produttori di beni industriali commerciali, dall'automotive all'imballaggio, dal farmaceutico all'elettronica e ai beni di consumo, stanno adottando con decisione standard analoghi.

La marcatura diretta dei componenti con informazioni di identificazione univoca richiede tecnologie di processo digitali come la stampa a getto d'inchiostro, la micropunzonatura (dot peen) e la marcatura laser. Per molti prodotti plastici tridimensionali il laser è il metodo preferito, perché il processo produce marcature indelebili ad alto contrasto e non comporta i costi elevati di inchiostri e solventi di consumo né la post-polimerizzazione. Inoltre, i laser possono marcare codici di visione artificiale di dimensioni minime. Ciò è importante per la micromarcatura, o quando la superficie disponibile su un componente per marcare caratteri alfanumerici, loghi o schemi è limitata. Le solide operazioni produttive Six Sigma richiedono che tutti i prodotti siano leggibili al 100 percento, da un operatore o da un sistema di visione artificiale, indipendentemente dalle dimensioni e dalla complessità di dettaglio della marcatura.

Punti chiave

• La marcatura diretta dei componenti consente di seguire un prodotto dalla produzione a fine vita, ed è ciò che richiede l'identificazione univoca.
• La MIL-STD-130M è lo standard del DoD e i settori commerciali, dall'automotive all'imballaggio, l'hanno seguita.
• Il Data Matrix è da 1/10 a 1/100 delle dimensioni di un codice a barre a parità di dati codificati.
• La ridondanza è prevista già in fase di progetto. I dati sono distribuiti in tutto il simbolo, con correzione degli errori per il recupero in caso di danni.
• Un codice da un quarto di pollice viene marcato in circa 200 millisecondi su componenti automotive del sistema di alimentazione sotto il cofano.

Domande frequenti

Che cos'è un codice di visione artificiale?

Informazione codificata interpretata da scanner ottici o telecamere. Il familiare codice a barre monodimensionale rappresenta i dati come contrasto scuro su sfondo chiaro, creando una riflettanza alta e bassa convertita in uni e zeri, con i dati memorizzati nelle larghezze e nelle spaziature di linee parallele. I modelli più recenti usano punti, cerchi concentrici e testo nascosto all'interno delle immagini.

Perché usare il Data Matrix anziché un codice a barre sui componenti piccoli?

Dimensioni e robustezza. A parità di dati codificati, un Data Matrix è da 1/10 a 1/100 delle dimensioni di un codice a barre, quindi una superficie minima del componente può contenere dati di produzione significativi. Ogni codice è composto per circa metà da celle nere e metà da celle bianche, con il 50% di probabilità che il danneggiamento di una cella non comprometta la leggibilità, e la correzione degli errori aiuta a recuperare i difetti.

Quali materie plastiche vengono tipicamente marcate per la tracciabilità?

Acetali, nylon, poliolefine, policarbonati, poliesteri e stirenici: tutti materiali chimicamente inerti, non polari e a bassa energia superficiale, ed è proprio per questo che la marcatura laser è preferita ai processi a base di inchiostro, che richiedono pretrattamento e polimerizzazione.

Quali dati contiene un codice automotive per componenti sotto il cofano?

Tracciabilità completa del componente: lotto di resina, macchina di stampaggio, data, turno e ora, e risultati della prova di tenuta dell'assemblaggio. Un codice da un quarto di pollice viene marcato in circa 200 millisecondi.

Che cosa ha favorito la crescita della marcatura diretta dei componenti?

I requisiti di tracciabilità e di identificazione univoca. Dopo l'11 settembre i produttori hanno adottato strategie per stabilire la tracciabilità e contrastare manomissione e contraffazione, con la MIL-STD-130M come pratica standard del Dipartimento della Difesa e i produttori commerciali che adottano equivalenti.

Che cosa sono i codici di visione artificiale?

I codici leggibili da macchina (di visione) sono informazioni codificate che possono essere interpretate tramite scanner ottici o telecamere. Un esempio familiare è il “codice a barre” monodimensionale, una rappresentazione di informazioni, tipicamente con contrasto scuro su sfondo chiaro, per creare una riflettanza alta e bassa che viene convertita in 1 e 0. I formati di codici a barre più comuni memorizzano i dati nelle larghezze e nelle spaziature di linee parallele stampate (strisce bianche e nere). Tuttavia si utilizzano anche modelli più recenti di punti, cerchi concentrici e codici di testo nascosti all'interno delle immagini. Negli Stati Uniti, l'UPC (Universal Product Code) è l'uso più noto e diffuso dei codici a barre nella vendita al dettaglio e nei prodotti di consumo.

Sebbene gli schemi di codici a barre moderni possano contenere il set di caratteri ASCII, nei settori manifatturieri, dell'elettronica, aerospaziale, automotive, farmaceutico e altri servono codici di visione artificiale molto più avanzati. La spinta continua a codificare più informazioni in spazi più ridotti ha portato allo sviluppo dei codici bidimensionali “Data Matrix”. I codici Data Matrix non possono essere letti da un laser (usato nei codici a barre), perché in genere non esiste un percorso di scansione in grado di coprire l'intero simbolo. Devono essere acquisiti da una telecamera. Il Data Matrix 2D è il rivoluzionario codice leggibile da macchina progettato specificamente per superare i limiti dei codici a barre. La Figura 1 mostra le differenze tra Data Matrix 2D e codice a barre.

Confronto tra codice 2D e codice a barre

I codici Data Matrix 2D sono ideali per la marcatura di piccoli componenti e sono progettati per resistere ad ambienti industriali difficili. Le dimensioni dei codici Data Matrix sono solo da 1/10 a 1/100 di quelle di un codice a barre a parità di dati codificati. Di conseguenza serve pochissimo spazio sul componente, che può così contenere dati di produzione significativi per la tracciabilità del prodotto. Ogni codice è composto per circa metà da celle nere e metà da celle bianche, con il 50% di probabilità che il danneggiamento di una cella non comprometta la leggibilità. L'elevato grado di ridondanza del Data Matrix (i dati sono distribuiti in tutto il simbolo) e la resistenza ai difetti di stampa lo rendono molto affidabile. Gli schemi di correzione degli errori integrati nell'algoritmo ottimizzano la capacità di recuperare i danni al simbolo. La Figura 2 confronta il codice Data Matrix con il codice a barre.

Marcatura laser

Questa sezione si concentra sull'uso dei codici Data Matrix 2D su componenti e assiemi tridimensionali in materia plastica (tra cui acetali, nylon, poliolefine, policarbonati, poliesteri, stirenici e altri). Questi tipi di plastica sono chimicamente inerti e non polari, con basse energie superficiali. Per la marcatura diretta dei componenti, i laser Nd:YAG offrono vantaggi rispetto ai processi a base di inchiostro, come la stampa a getto d'inchiostro, che richiedono pretrattamento superficiale e polimerizzazione. I laser Nd:YAG a fascio orientato (“YAG”) con lunghezza d'onda di 1064nm (spettro del vicino infrarosso) sono diffusi nel settore della marcatura laser per la loro lunghezza d'onda di emissione, le prestazioni di potenza e la versatilità. Ne derivano velocità di marcatura più elevate, qualità superiore e maggiore produttività.

Come riferimento, i laser CO₂ a onda continua (CW) operano a una lunghezza d'onda di 10,6 µm (spettro del lontano infrarosso). I laser CO₂ generano una potenza di picco molto inferiore rispetto ai laser YAG e, pertanto, non possono produrre marcature ad alto contrasto sulla maggior parte delle materie plastiche. Si noti che i laser CO₂ sono comunemente utilizzati per marcare codici a barre e codici matrice su etichette, carta e per l'ablazione dell'inchiostro.

Il meccanismo della marcatura laser consiste nell'irradiare il polimero con una sorgente di radiazione localizzata ad alta energia (il laser). L'energia radiante viene quindi assorbita dal materiale e convertita in energia termica. L'energia termica induce reazioni nel materiale. Non tutti i laser YAG a fascio orientato sono uguali.

I componenti hardware e software che un produttore di laser integra nei propri sistemi fanno una differenza significativa nella qualità e nella velocità di marcatura. Un attributo fondamentale è la densità di potenza (watt/cm²) sulla superficie da marcare (che è diversa dalla potenza di uscita grezza del laser). I marcatori laser Nd:YAG a fascio orientato (con sorgenti a lampada ad arco e a diodi) utilizzano specchi montati su galvanometri ad alta velocità controllati da computer per dirigere il fascio laser sulla superficie da marcare, un po' come scrivere con carta e matita. Ciascun galvanometro, uno sull'asse Y e uno sull'asse X, fornisce il movimento del fascio all'interno del campo di marcatura. Un gruppo ottico a lente a campo piano focalizza la luce laser per ottenere un'elevata densità di potenza sulla superficie del substrato. La Figura 3 mostra il sistema ottico di erogazione del fascio con galvanometri controllati da computer.

La modalità di uscita del fascio laser è determinante per le prestazioni di marcatura. I produttori possono fornire laser multimodo, TEM00 (modo elettromagnetico trasversale) o qualsiasi soluzione intermedia, compresi i modi di ordine basso. Queste modalità di uscita sono legate a fattori tra cui la divergenza del fascio e la distribuzione di potenza sul diametro del fascio laser. I laser a modo di ordine basso e TEM00 sono particolarmente adatti alla marcatura vettoriale ad alta velocità di Data Matrix e codici a barre, caratteri alfanumerici a tratto singolo, font true-type riempiti e grafiche complesse, grazie alla capacità di ottenere uno spot focalizzato di piccole dimensioni, che produce una linea molto sottile con bordi ben definiti.

La densità di potenza dipende dalle dimensioni dello spot laser focalizzato. Le dimensioni dello spot laser focalizzato, per una data lunghezza focale della lente e lunghezza d'onda del laser, dipendono dalla divergenza del fascio laser, controllata dalla configurazione del laser, dalle dimensioni dell'apertura di selezione del modo e dall'ingrandimento dell'upcollimator (espansore di fascio). La frequenza di ripetizione degli impulsi (tramite Q-switch acusto-ottico) e la densità di potenza di picco sono parametri critici per formare la marcatura e ottenere contrasto e velocità ottimali. Una potenza di picco elevata a bassa frequenza aumenta rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e conducendo un calore minimo nel substrato. All'aumentare della frequenza di ripetizione, una potenza di picco inferiore produce una vaporizzazione minima ma conduce più calore. Anche la velocità del fascio è un fattore critico.

L'uso di additivi laser migliora e ottimizza il contrasto dei codici di visione artificiale e riduce i tempi di ciclo di marcatura. Questi fattori si traducono in risparmi e in una maggiore produttività. Le soluzioni di scienza dei materiali sono convenienti, facili da usare e, con la formulazione corretta, non hanno effetti dannosi sulle proprietà fisiche e chimiche dei prodotti polimerici.

Applicazioni

Un eccellente esempio applicativo sono i codici Data Matrix 2D applicati tramite laser a componenti e assiemi del sistema di alimentazione sotto il cofano in ambienti automotive difficili (tipicamente acetali, nylon e poliesteri). Come mostrato nell'Esempio A, a pagina 32, il codice da ¼” viene marcato in circa 200 millisecondi. I dati contenuti nel codice comprendono la tracciabilità completa del componente (dal lotto di resina alla macchina di stampaggio, data-turno-ora e prova di tenuta dell'assemblaggio). I nuovi progressi tecnologici nella marcatura laser degli acetali ampliano ulteriormente gli ambiti della serializzazione e della tracciabilità dei prodotti. Esempio B: come spiegato da un dirigente del settore automotive, “Molti dei componenti in acetale del sistema di alimentazione sotto il cofano che progettiamo sono compatti. La micromarcatura indelebile di informazioni critiche e di codici Data Matrix verso la fine delle operazioni di assemblaggio automatizzato, dopo la prova di tenuta in linea, ha un grande valore nel settore. L'identificazione univoca dei componenti favorisce anche la gestione interna delle scorte per i semilavorati (W.I.P.).”

I moderni sistemi di visione artificiale non sono semplici dispositivi di ispezione autonomi. Sono invece integrati nelle operazioni produttive complessive Six Sigma, compresi i programmi di metriche di controllo statistico della qualità. I sistemi avanzati contengono intelligenza artificiale, che amplia ulteriormente l'ambito di laser e codici di visione artificiale. La potente combinazione con la marcatura laser è considerata determinante per il successo, fornendo feedback di processo e prevenzione degli errori per prodotti con difetti prossimi allo zero.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: marcatura laser, pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sabreen sviluppa tecnologie pionieristiche e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

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