製品セキュリティ、識別、偽造防止のためのファイバーレーザーマーキング

製品セキュリティ、識別、偽造防止のためのファイバーレーザーマーキング

プラスチック製品への部品直接マーキングでは、レーザーマーキングにインモールドラベリングやインク印刷にはない利点があります。イッテルビウムファイバーレーザーの登場により、セキュリティと偽造防止策を付加する重要な手法として、レーザーの位置づけがさらに際立っています。

マシンビジョンコードを含む消えない部品直接マーキングに対する産業製造業の要求は、急速に拡大しています。身近なコードの種類は、QR、Data Matrix、バーコードの3つです。部品への直接マーキングにより、1つ1つの固有の製品を、製造時点から使用寿命の終わりまで追跡できます。マシンビジョンコードの需要は、部品トレーサビリティおよび製品固有識別（UID）に対する要求の高まりによって牽引されています。9.11同時多発テロ以降、製造業者はトレーサビリティを確立し、製品の不正改ざんや偽造を防ぐための施策を導入し始めました。米国国防総省（DoD）は、軍用資産に関する標準実施規格として MIL-STD-130 を策定しました。DoDにとどまらず、自動車、医薬品、エレクトロニクス、包装、消費財など民生用工業製品のメーカーも、同様の規格を積極的に採用しています。

重要ポイント

• Data Matrix コードは、同じデータを持つバーコードの1/10～1/100のサイズです。表面積が限られる場面で重要です。
• 各コードのおよそ半分は設計上の冗長部分であり、セルが損傷しても読み取りに支障が出ない確率は50/50です。
• MIL-STD-130 が基準を確立し、自動車、医薬品、エレクトロニクス、包装の各分野も同等の規格を採用しています。
• マシンビジョンコードの約25％が、解像度品質の低さにより誤読されています。その大半はインクジェットの限界によるものです。
• 1/6インチの2Dコードは、自動車のボンネット内燃料部品に150ミリ秒未満でマーキングできます。

よくあるご質問

マシンビジョンコードに、インクジェットではなくレーザーマーキングを使うのはなぜですか？

解像度と永続性のためです。消えないマークを形成できないインクジェットでは、特に小さな部品で、マシンビジョンが必要とする細かい線のエッジ解像度を得られません。専門家の見解では、マシンビジョンコードの約25％が、解像度品質の低さにより誤読されています。また、ほとんどのインクは、前処理を施しても低表面エネルギープラスチックに十分に密着しません。

Data Matrix にはバーコードと比べてどのような利点がありますか？

サイズと耐久性です。同じ符号化データ量であれば、Data Matrix はバーコードの1/10～1/100のサイズです。データがシンボル全体に分散されているため、コードはおよそ半分が黒、半分が白となり、セルが損傷しても読み取りに支障が出ない確率はほぼ五分五分で、内蔵の誤り訂正によりシンボルの損傷からも復元しやすくなります。

Data Matrix コードはバーコードスキャナーで読み取れますか？

いいえ。シンボル全体をカバーできる走査パターンが通常ないため、Data Matrix はレーザースキャナーではなく、カメラなどの撮像装置でスキャンする必要があります。

部品への直接マーキングが普及した要因は何ですか？

トレーサビリティと固有識別への要求です。9.11以降、製造業者はトレーサビリティを確立し、改ざんや偽造を防ぐ施策を導入し始め、米国国防総省は軍用資産に関する標準実施規格として MIL-STD-130 を策定しました。民生分野でも同様の規格が採用されました。

小さな2Dコードには、実際にどのようなデータを保持できますか？

自動車のボンネット内燃料部品では、150ミリ秒未満でマーキングされる1/6インチのコードに、部品の完全なトレーサビリティ情報として、樹脂ロット、成形機、日付、シフトと時刻、組立時のリークテスト結果が含まれます。

デジタルとアナログのマーキング／印刷技術

固有の識別情報を含む部品への直接マーキングには、レーザーマーキング、インクジェット、ドットピーンといった「デジタル」技術が必要です。なお、インモールドラベリングと熱転写ラベリングは2工程のプロセスで、レーザーマーキングよりもコストが大幅に高いため、本稿では扱いません。三次元形状の多くのプラスチック製品では、高コントラストで消えないマーキングが得られ、高価な消耗品のインクや溶剤、後硬化が不要であることから、レーザーが好まれる方法です。レーザーは、最小サイズのマシンビジョンコードも正確にマーキングできます。これは、マイクロマーキングや、英数字、ロゴ、回路図などをマーキングできる部品表面の面積が限られている場合に重要です。堅牢なシックスシグマ運用では、マーキングの実際のサイズや複雑さにかかわらず、すべての製品が人間またはマシンビジョンで100パーセント読み取れることが求められます。

優れた応用例が、過酷な環境にある自動車のボンネット内燃料部品およびアセンブリ（通常はアセタール、ナイロン、ポリエステルポリマー）にレーザーで施す2D Data Matrix コードです（写真1）。1/6インチサイズのコードは150ミリ秒未満でマーキングされます。コードに含まれるデータは、（樹脂ロット、成形機、日付・シフト・時刻、組立時のリークテストに至る）部品の完全なトレーサビリティです。

ある自動車メーカーの幹部は次のように説明しています。「当社が設計するボンネット内のアセタール製燃料部品の多くはコンパクトです。自動組立工程の終盤、インラインのリークテストの後に、重要な情報やData Matrix コードを消えない形でマイクロマーキングすることは、業界で大きな価値があります。固有の部品識別は、社内の仕掛品の在庫管理にも役立ちます。」

非接触のレーザーマーキングやインクジェットのプロセスと比べて、「アナログ」のインク転写によるパッド印刷やスクリーン印刷では、ほとんどのプラスチックで消えないマーキングや個体レベルの固有識別を実現できません。

さらに、インク、タンポン（パッド）、クリシェ（印刷版）、薬品といった高額な継続的変動費が、このプロセスに伴います。レーザーマーキングとインクジェットを比較すると、インクや消耗品のコスト削減効果は同程度です。消えないマークを形成できないインクジェットでは、特に小さな部品で、マシンビジョンに不可欠な細かい線のエッジ解像度を得られません。専門家の見解では、マシンビジョンコードの25％が、解像度品質の低さにより誤読されています。多くの低表面エネルギープラスチックには、前処理を施しても、ほとんどのインクが十分に密着しない点にも留意が必要です。この状況は、デジタルとアナログのどちらのインク印刷プロセスにも当てはまります。

マシンビジョンコードとは？ マシンリーダブル（ビジョン）コードは、光学スキャナーやカメラで解釈できる情報を含んでいます。身近な例は一次元の「バーコード」で、通常は明るい背景上の暗いコントラストで情報を表し、高低の反射率を生み出して1と0に変換します。最も一般的なバーコードの形式は、印刷された平行線（白黒の縞）の幅と間隔にデータを格納します。

現代のバーコード方式はASCII文字セットを含められますが、製造分野によっては、はるかに高度なマシンビジョンコードが必要になります。より多くの情報をより小さなスペースに符号化したいという要求が続いた結果、二次元の「Data Matrix」コードが開発されました。Data Matrix コードは、シンボル全体をカバーできる走査パターンが通常ないため、（バーコードで用いられる）レーザーでは読み取れません。Data Matrix コードは、カメラなどの撮像装置でスキャンする必要があります。2D Data Matrix は、バーコードの限界を解消するために特別に設計された画期的なマシンリーダブルコードです。図1は、2Dコード（Data Matrix とQR）とバーコードの違いを示しています。

2D Data Matrix コードは小さな部品へのマーキングに最適で、過酷な産業環境でも耐えられるよう設計されています。Data Matrix コードのサイズは、同じ符号化データ量であればバーコードの1/10～1/100です。部品上のごくわずかなスペースに、製品トレーサビリティのための多くの製造データを載せられます。各コードはおよそ半分が黒、半分が白であり、セルが損傷しても読み取りに支障が出ない確率は50/50です。Data Matrix は冗長性が高く（データがシンボル全体に分散されています）、印刷欠陥にも強いため、信頼性に優れます。アルゴリズムに組み込まれた誤り訂正方式により、シンボルの損傷からの復元能力が最適化されています。表1を参照してください。

レーザー添加剤

近赤外レーザー添加剤はコントラストの度合いを向上させ、レーザーのセットアップパラメータを変更することでさらに強めることができます。ポリマーには、「暗色」または「明色」のマーキングコントラストを生じる固有の特性があります。二酸化チタン（TiO2）やカーボンブラックを少量含む一部の着色剤コンパウンドも、レーザー光を吸収し、場合によってはマーキングコントラストを向上させることがあります。同じポリマーファミリー内であっても、ポリマーのグレードごとに結果は異なることがあります。添加剤の配合は、有毒であってはならず、製品の外観や物理的・機能的特性に悪影響を及ぼしてはなりません。

インク印刷プロセス（パッド印刷／スクリーン印刷およびインクジェット）と比べて、レーザー添加剤はコスト削減につながり、最適化されていない材料に対して20パーセント以上速いマーキング速度を示すことがあります。レーザー添加剤は、ペレット状の顆粒と粉末の形態で供給されます。顆粒製品はポリマー樹脂に直接ブレンドでき、粉末はマスターバッチに加工されます。ほとんどはポリマー中に容易に分散します。添加剤とポリマーによって異なりますが、（最終部品中の）重量ベースの添加濃度は0.01～4.0パーセントの範囲です。

一部の添加剤には、アンチモンドープ酸化スズと三酸化アンチモンの混合物が含まれており、ナチュラル（無着色）の基材の不透明度に「灰色がかった」色味を与えることがあります。その他の添加剤には、アルミニウム粒子、混合金属酸化物、独自の化合物が含まれる場合があります。最終的な色合わせは、顔料と染料で色調を調整して行います。市販されている特定の添加剤（レーザー溶着にも使用されます）は、21 CFR 178.3297「ポリマー用着色剤」の条件A～Hに基づき、食品接触および食品包装用途でFDAの承認を受けています。欧州連合（EU）にも同様の適合宣言があります。認証条件は、ポリマーの種類、添加濃度のしきい値、直接接触か間接接触かによって異なります。FDA承認の添加剤を「最終部品」にブレンドしたものをさらに適格性評価することで、医療機器の生体適合性を確保できます。

イッテルビウムファイバーレーザー技術

レーザー技術の向上は、最新世代のFDA承認レーザー添加剤の急速な開発に大きく貢献してきました。ナノ秒イッテルビウムファイバーレーザーの登場は、マーキング、溶接、切断における最も重要な進歩の1つです。ファイバーレーザーは、他のダイオード励起固体（DPSS）マーキングレーザーとは根本的に異なります。ファイバーレーザーでは、レーザービームを生成する活性媒質が、専用の光ファイバーケーブル内に分散されています。ファイバー伝送型レーザーとは対照的に、ビーム経路全体がビーム出射光学系まで光ファイバーケーブル内に収まっています。このオールファイバー構造が、これらのレーザーの信頼性と堅牢性の大きな要因であり、急速な普及につながっています。

ファイバーレーザーは、Nd:YAGレーザーと比べて優れたビーム品質（M2）と輝度をもたらします。ビーム品質に優れたレーザーは小さなスポットサイズに集光でき、高いエネルギー密度が得られます。パルスエネルギーが最大1 mJで高い出力密度を持つ固定パルスおよび可変パルスのマスターオシレーターパワーアンプ（MOPA）ファイバーレーザーは、従来マーキングが難しかった多くのポリマーにマーキングできます。バナデートレーザーもM2値が小さく、固定ファイバーレーザーやYAGレーザーより短いパルス幅を持ちます。パルス幅は、材料への熱の入り方と炭化の度合いに影響します。通常40 ns未満の短パルスでは、敏感なポリマー材料の加工時に、より制御されたエネルギー入力が可能になります。これらのパルスは、材料のしきい値を超えるピーク出力を維持しながら、パルスエネルギーを低く抑えることで、局所的な熱損傷を低減します。

用途開発は非常に個別的であり、万能のレーザーソリューションは存在しません。短パルス幅のMOPAレーザーは、感度の高いFDA承認の化学添加剤の性能を最大限に引き出せます。レーザー入熱の局所的な空間・時間制御と、入熱速度の制御により、最大の性能が得られます。どのレーザータイプを導入するかは、レーザーの出力特性と最適化されたポリマー材料との相互作用によって決まります。

レーザー装置システム

レーザーメーカーがシステムに組み込むハードウェアとソフトウェアの構成要素によって、マーキングのコントラスト、品質、速度は大きく変わります。主要な特性は、マーキング面での出力密度（W/cm²）です（これはレーザー自体の素の出力とは異なります）。レーザービームの出力モードは、マーキング性能に大きく影響します。これらの出力モードは、ビームの発散角やレーザービーム径方向の出力分布といった要因に関係します。

出力密度は、集光されたレーザースポットのサイズによって決まります。任意の焦点距離のレンズとレーザー波長に対する集光スポットサイズは、レーザービームの発散角の関数であり、これはレーザー構成、モード選択アパーチャのサイズ、アップコリメーター（ビームエキスパンダー）の倍率によって制御されます。パルス繰り返し周波数とピーク出力密度は、マークを形成し、最適なコントラストと速度を得るための重要なパラメータです。出力とパルス繰り返し周波数の関係を示す算術曲線は反比例します。低周波数での高いピーク出力は表面温度を急速に上昇させ、基材への熱伝導を最小限に抑えながら材料を気化させます。パルス繰り返し周波数が高くなると、ピーク出力が低くなるため気化は最小限になりますが、熱伝導は大きくなります。マーキングのコントラストと品質に影響するその他の要因は、当然ながらビーム速度とベクトル線の間隔です。

結論

現代のマシンビジョンシステムは、単独の検査装置にとどまりません。統計的品質管理の指標プログラムを含むシックスシグマの製造工程に組み込まれています。高度なシステムには人工知能が搭載され、レーザーとマシンビジョンコードの活用範囲をさらに広げています。レーザーマーキングとの強力な組み合わせは、工程のフィードバックとエラー防止を提供し、不良をほぼゼロに近づける製品づくりの成功に不可欠と見なされています。

Scott R. Sabreen は、プラスチック二次加工（レーザーマーキング、表面前処理、接着、加飾・仕上げ、製品セキュリティ）を専門とするエンジニアリング会社 The Sabreen Group, Inc. の創業者兼社長です。Sabreen は30年以上にわたり、先駆的な技術の開発と製造上の課題の解決に取り組んできました。連絡先は 972.820.6777、または www.sabreen.com もしくは www.plasticslasermarking.com です。

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