Khắc laser sợi quang cho bảo mật sản phẩm, nhận dạng và chống hàng giả

Khắc laser sợi quang cho bảo mật sản phẩm, nhận dạng và chống hàng giả

Khắc laser có nhiều ưu điểm so với dán nhãn trong khuôn và in bằng mực khi khắc trực tiếp lên chi tiết trên các sản phẩm nhựa. Sự xuất hiện của laser sợi quang ytterbium càng khẳng định laser là phương pháp quan trọng để bổ sung các biện pháp bảo mật và chống hàng giả.

Nhu cầu của ngành sản xuất công nghiệp đối với khắc trực tiếp lên chi tiết bền vĩnh viễn, chứa mã thị giác máy, đang tăng nhanh. Ba loại mã quen thuộc là QR, Data Matrix và mã vạch. Khắc trực tiếp lên chi tiết cho phép theo dõi từng sản phẩm riêng biệt từ khâu sản xuất đến hết vòng đời sử dụng. Nhu cầu về mã thị giác máy xuất phát từ các yêu cầu ngày càng cao về truy xuất nguồn gốc linh kiện và nhận dạng duy nhất sản phẩm (UID). Sau sự kiện 11/9, các nhà sản xuất bắt đầu triển khai chiến lược thiết lập truy xuất nguồn gốc và ngăn chặn hành vi can thiệp trái phép cũng như hàng giả. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (DoD) đã xây dựng MIL-STD-130 làm quy chuẩn thực hành cho tài sản quân sự. Ngoài DoD, các nhà sản xuất sản phẩm công nghiệp thương mại – gồm ô tô, dược phẩm, điện tử, bao bì và hàng tiêu dùng – cũng đang tích cực áp dụng các tiêu chuẩn tương tự.

Những điểm chính

• Mã Data Matrix có kích thước bằng 1/10 đến 1/100 mã vạch mang cùng lượng dữ liệu — rất quan trọng khi diện tích bề mặt hạn chế.
• Khoảng một nửa mỗi mã được thiết kế dư thừa, tạo 50% khả năng ô bị hỏng không ảnh hưởng đến khả năng đọc.
• MIL-STD-130 đặt ra tiêu chuẩn, và các ngành ô tô, dược phẩm, điện tử và bao bì đã áp dụng các tiêu chuẩn tương đương.
• Khoảng 25% mã thị giác máy bị đọc sai do chất lượng độ phân giải kém — chủ yếu là hạn chế của in phun.
• Một mã 2D kích thước 1/6 inch được khắc trong chưa đầy 150 mili giây trên các chi tiết nhiên liệu ô tô đặt dưới nắp capô.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao nên dùng khắc laser thay vì in phun cho mã thị giác máy?

Nhờ độ phân giải và độ bền vĩnh viễn. In phun không bền vĩnh viễn không thể đạt độ phân giải cạnh nét mảnh mà thị giác máy cần, đặc biệt trên chi tiết nhỏ, và các chuyên gia cho rằng khoảng 25% mã thị giác máy bị đọc sai do chất lượng độ phân giải kém. Hầu hết các loại mực cũng không bám dính đủ tốt lên nhựa có năng lượng bề mặt thấp, ngay cả khi có tiền xử lý.

Data Matrix có ưu điểm gì so với mã vạch?

Nhờ kích thước và khả năng chống chịu. Với cùng lượng dữ liệu mã hóa, Data Matrix chỉ bằng 1/10 đến 1/100 mã vạch. Dữ liệu được phân tán khắp ký hiệu nên mã có khoảng một nửa ô đen và một nửa ô trắng, cho xác suất gần như ngang nhau rằng ô bị hỏng không ảnh hưởng đến khả năng đọc, và cơ chế sửa lỗi tích hợp giúp phục hồi khi ký hiệu bị hư hỏng.

Có thể đọc mã Data Matrix bằng máy quét mã vạch không?

Không. Thường không có đường quét nào bao trùm toàn bộ ký hiệu, vì vậy Data Matrix phải được quét bằng thiết bị thu hình như camera thay vì máy quét laser.

Điều gì thúc đẩy việc áp dụng khắc trực tiếp lên chi tiết?

Các yêu cầu về truy xuất nguồn gốc và nhận dạng duy nhất. Sau sự kiện 11/9, các nhà sản xuất bắt đầu triển khai chiến lược thiết lập truy xuất nguồn gốc và ngăn chặn can thiệp trái phép cũng như hàng giả, và Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã xây dựng MIL-STD-130 làm quy chuẩn thực hành cho tài sản quân sự. Các lĩnh vực thương mại đã áp dụng các tiêu chuẩn tương tự.

Một mã 2D nhỏ thực sự chứa được những dữ liệu nào?

Trên các chi tiết nhiên liệu ô tô đặt dưới nắp capô, một mã kích thước 1/6 inch được khắc trong chưa đầy 150 mili giây mang toàn bộ dữ liệu truy xuất nguồn gốc linh kiện — lô nhựa, máy ép khuôn, ngày, ca và giờ sản xuất, cùng kết quả thử rò rỉ khi lắp ráp.

Công nghệ khắc/in kỹ thuật số so với analog

Khắc trực tiếp lên chi tiết với thông tin nhận dạng duy nhất đòi hỏi công nghệ “kỹ thuật số” như khắc laser, in phun và khắc chấm (dot peen). Lưu ý rằng dán nhãn trong khuôn và dán nhãn chuyển nhiệt là các quy trình hai bước đắt hơn đáng kể so với khắc laser và không được thảo luận trong bài viết này. Đối với nhiều sản phẩm nhựa ba chiều, laser là phương pháp được ưu tiên vì tạo ra vết khắc tương phản cao, bền vĩnh viễn và không cần mực in/dung môi tiêu hao đắt đỏ hay đóng rắn sau đó. Laser có thể khắc chính xác các mã thị giác máy có kích thước nhỏ nhất. Điều này quan trọng đối với khắc vi mô và khi chi tiết có diện tích bề mặt hạn chế để khắc chữ và số, logo hoặc sơ đồ. Các hoạt động Six Sigma chặt chẽ yêu cầu 100% sản phẩm phải đọc được bằng mắt thường hoặc bằng thị giác máy, bất kể kích thước và độ phức tạp của vết khắc.

Một ví dụ ứng dụng điển hình là mã Data Matrix 2D được khắc bằng laser lên các chi tiết và cụm nhiên liệu ô tô đặt dưới nắp capô trong môi trường khắc nghiệt, thường là polymer acetal, nylon và polyester (Ảnh 1). Mã kích thước 1/6” được khắc trong chưa đầy 150 mili giây. Dữ liệu trong mã bao gồm toàn bộ thông tin truy xuất nguồn gốc của chi tiết (từ lô nhựa, máy ép khuôn, ngày-ca-giờ sản xuất đến thử rò rỉ khi lắp ráp).

Theo lời một lãnh đạo ngành ô tô, “Nhiều chi tiết nhiên liệu acetal đặt dưới nắp capô mà chúng tôi thiết kế có kích thước nhỏ gọn. Việc khắc vi mô bền vĩnh viễn các thông tin quan trọng và mã data matrix gần cuối công đoạn lắp ráp tự động, sau khi thử rò rỉ trực tuyến, có giá trị rất lớn trong ngành. Nhận dạng duy nhất chi tiết cũng hỗ trợ quản lý tồn kho nội bộ cho sản phẩm dở dang.”

So với khắc laser không tiếp xúc và in phun, in tampon và in lụa truyền mực “analog” không thể tạo vết khắc bền vĩnh viễn hay nhận dạng duy nhất ở cấp độ từng đơn vị trên hầu hết các loại nhựa.

Hơn nữa, quy trình này đi kèm các chi phí biến đổi định kỳ đắt đỏ cho mực, tampon (miếng in), cliché (khuôn in) và hóa chất. So sánh khắc laser với in phun, mức tiết kiệm về mực và vật tư tiêu hao là tương đương. In phun không bền vĩnh viễn không thể đạt độ phân giải cạnh nét mảnh, vốn rất cần thiết cho thị giác máy, đặc biệt trên chi tiết nhỏ. Các chuyên gia cho rằng 25% mã thị giác máy bị đọc sai do chất lượng độ phân giải kém. Cần lưu ý rằng hầu hết các loại mực không bám dính đủ tốt lên nhiều loại nhựa có năng lượng bề mặt thấp, ngay cả khi có tiền xử lý. Tình trạng này tồn tại ở cả quy trình in mực kỹ thuật số lẫn analog.

Mã thị giác máy là gì? Mã đọc được bằng máy (mã thị giác) chứa thông tin mà máy quét quang học hoặc camera có thể diễn giải. Một ví dụ quen thuộc là “mã vạch” một chiều, tức là cách biểu diễn thông tin, thường là màu tối trên nền sáng, để tạo ra độ phản xạ cao và thấp được chuyển thành các số 1 và 0. Các định dạng mã vạch phổ biến nhất lưu dữ liệu trong độ rộng và khoảng cách của các vạch song song được in (sọc đen và trắng).

Mặc dù các sơ đồ mã vạch hiện đại có thể chứa bộ ký tự ASCII, một số ngành sản xuất cần những mã thị giác máy tiên tiến hơn nhiều. Xu hướng liên tục mã hóa nhiều thông tin hơn trong không gian nhỏ hơn đã dẫn đến sự ra đời của mã “Data Matrix” hai chiều. Mã Data Matrix không thể được đọc bằng tia laser (như dùng cho mã vạch) vì thường không có đường quét nào bao trùm toàn bộ ký hiệu. Mã Data Matrix phải được quét bằng thiết bị thu hình như camera. Data Matrix 2D là loại mã đọc được bằng máy mang tính đột phá, được thiết kế riêng để khắc phục các hạn chế của mã vạch. Hình 1 minh họa sự khác biệt giữa mã 2D (Data Matrix và QR) và mã vạch.

Mã Data Matrix 2D lý tưởng để khắc lên chi tiết nhỏ và được thiết kế để chịu được môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Kích thước của mã Data Matrix bằng 1/10 đến 1/100 mã vạch, với cùng lượng dữ liệu mã hóa. Chỉ cần rất ít không gian trên chi tiết là đủ chứa lượng lớn dữ liệu sản xuất phục vụ truy xuất nguồn gốc sản phẩm. Mỗi mã có khoảng một nửa là ô đen và một nửa là ô trắng, nên có 50% khả năng ô bị hỏng không làm ảnh hưởng đến khả năng đọc. Tính dự phòng cao của Data Matrix (dữ liệu được phân tán khắp ký hiệu) và khả năng chống lỗi in giúp mã có độ tin cậy rất cao. Các cơ chế sửa lỗi tích hợp trong thuật toán tối ưu khả năng phục hồi khi ký hiệu bị hư hỏng. Xem Bảng 1.

Phụ gia laser

Phụ gia laser cận hồng ngoại cải thiện mức độ tương phản, và có thể tăng cường thêm bằng cách thay đổi các thông số cài đặt laser. Polymer vốn có đặc tính cho độ tương phản vết khắc “màu tối” hoặc “màu sáng”. Một số hợp chất tạo màu chứa lượng thấp titanium dioxide (TiO2) và muội than cũng có thể hấp thụ ánh sáng laser và, trong một số trường hợp, cải thiện độ tương phản vết khắc. Mỗi cấp polymer, ngay cả trong cùng một họ polymer, có thể cho kết quả khác nhau. Công thức phụ gia không được gây độc hại hoặc ảnh hưởng bất lợi đến hình thức, tính chất vật lý hay chức năng của sản phẩm.

So với các quy trình in mực (in tampon/in lụa và in phun), phụ gia laser giúp tiết kiệm chi phí và có thể cho tốc độ khắc nhanh hơn 20 phần trăm so với vật liệu chưa được tối ưu. Phụ gia laser được cung cấp ở dạng hạt và dạng bột. Sản phẩm dạng hạt có thể trộn trực tiếp với nhựa polymer, trong khi dạng bột được chuyển thành masterbatch. Hầu hết đều dễ phân tán trong polymer. Tùy theo phụ gia và polymer, nồng độ theo khối lượng (trong chi tiết cuối) nằm trong khoảng từ 0,01 đến 4,0 phần trăm.

Một số phụ gia chứa hỗn hợp oxit thiếc pha tạp antimon và antimon trioxit, có thể tạo sắc “hơi xám” cho độ mờ đục của vật liệu nền tự nhiên (không màu). Các phụ gia khác có thể chứa hạt nhôm, hỗn hợp oxit kim loại và các hợp chất độc quyền. Việc điều chỉnh màu được thực hiện bằng bột màu và thuốc nhuộm để đạt hình thức phối màu cuối cùng. Một số phụ gia thương mại chuyên dụng (cũng dùng cho hàn laser) đã được FDA chấp thuận cho tiếp xúc thực phẩm và bao bì thực phẩm theo các điều kiện A-H của 21 CFR 178.3297 – Chất tạo màu cho polymer. Liên minh châu Âu cũng có các tuyên bố tuân thủ tương tự. Điều kiện chứng nhận đặc thù theo loại polymer, ngưỡng nồng độ và kiểu tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp. Việc đánh giá thêm các phụ gia được FDA chấp thuận khi trộn vào “chi tiết cuối” có thể đạt được tính tương thích sinh học của thiết bị y tế.

Công nghệ laser sợi quang ytterbium

Những cải tiến trong công nghệ laser đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển nhanh chóng của thế hệ phụ gia laser được FDA chấp thuận mới nhất. Sự xuất hiện của laser sợi quang ytterbium nanô giây là một trong những tiến bộ quan trọng nhất cho khắc, hàn và cắt. Về bản chất, laser sợi quang khác với các laser khắc thể rắn bơm diode (DPSS) khác. Với laser sợi quang, môi trường hoạt chất tạo ra chùm laser được phân tán bên trong một cáp quang chuyên dụng. Khác với laser truyền dẫn bằng sợi quang, toàn bộ đường đi của chùm tia nằm trong cáp quang cho đến tận quang học phân phối chùm tia. Cấu trúc toàn sợi quang này là nguyên nhân chính tạo nên độ tin cậy và độ bền của các laser này, giải thích cho sự tăng trưởng nhanh của chúng.

Laser sợi quang cho chất lượng chùm tia (M2) và độ sáng vượt trội so với laser Nd:YAG. Laser có chất lượng chùm tia vượt trội có thể hội tụ thành điểm có kích thước nhỏ, dẫn đến mật độ năng lượng cao. Laser sợi quang bộ dao động chủ – bộ khuếch đại công suất (MOPA) xung cố định và xung thay đổi với năng lượng xung lên đến 1mJ và mật độ công suất cao có thể khắc nhiều loại polymer vốn khó khắc trước đây. Laser Vanadate cũng có giá trị M2 nhỏ với độ rộng xung ngắn hơn laser sợi quang xung cố định và laser YAG. Độ rộng xung ảnh hưởng đến mức độ nhiệt và cacbon hóa vào trong vật liệu. Các xung ngắn, thường <40ns, cho phép cấp năng lượng được kiểm soát tốt hơn khi xử lý vật liệu polymer nhạy cảm. Các xung này giữ được công suất đỉnh để vượt ngưỡng vật liệu, nhưng có năng lượng xung thấp hơn nhằm giảm hư hại nhiệt cục bộ.

Việc phát triển ứng dụng mang tính đặc thù cao, vì không có giải pháp laser chung cho mọi trường hợp. Laser MOPA có độ rộng xung ngắn có thể khai thác trọn vẹn hiệu suất của các phụ gia hóa học nhạy được FDA chấp thuận. Khả năng kiểm soát cục bộ về không gian và thời gian đối với nhiệt đầu vào của laser và tốc độ cấp nhiệt giúp đạt hiệu suất tối đa. Việc chọn loại laser cần tích hợp được quyết định bởi đặc tính đầu ra của laser tương tác với vật liệu polymer đã được tối ưu.

Hệ thống thiết bị laser

Các thành phần phần cứng và phần mềm mà nhà sản xuất laser tích hợp vào hệ thống tạo ra khác biệt đáng kể về độ tương phản, chất lượng và tốc độ khắc. Một thông số chính là mật độ công suất (W/cm²) tại bề mặt khắc (khác với công suất đầu ra thô của laser). Chế độ đầu ra của chùm laser có vai trò quyết định đối với hiệu suất khắc. Các chế độ đầu ra này liên quan đến các yếu tố như độ phân kỳ chùm tia và sự phân bố công suất trên đường kính chùm laser.

Mật độ công suất phụ thuộc vào kích thước điểm laser hội tụ. Kích thước điểm laser hội tụ với thấu kính có tiêu cự và bước sóng laser nhất định phụ thuộc vào độ phân kỳ chùm tia, vốn được điều khiển bởi cấu hình laser, kích thước khẩu độ chọn mode và độ phóng đại của bộ mở rộng chùm tia (upcollimator). Tần số lặp xung và mật độ công suất đỉnh là các thông số then chốt để tạo vết khắc và đạt độ tương phản cũng như tốc độ tối ưu. Các đường cong số học của công suất theo tần số lặp xung tỷ lệ nghịch với nhau. Công suất đỉnh cao ở tần số thấp làm nhiệt độ bề mặt tăng nhanh, làm bay hơi vật liệu trong khi truyền rất ít nhiệt vào vật liệu nền. Khi tần số lặp xung tăng, công suất đỉnh thấp hơn chỉ gây bay hơi tối thiểu nhưng truyền nhiều nhiệt hơn. Các yếu tố đóng góp khác ảnh hưởng đến độ tương phản và chất lượng vết khắc dĩ nhiên là vận tốc chùm tia và khoảng cách giữa các đường vector.

Kết luận

Các hệ thống thị giác máy hiện đại không chỉ là thiết bị kiểm tra độc lập. Chúng được tích hợp vào các hoạt động sản xuất Six Sigma, bao gồm các chương trình chỉ số kiểm soát chất lượng thống kê. Các hệ thống tiên tiến có trí tuệ nhân tạo, giúp mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của laser và mã thị giác máy. Sự kết hợp mạnh mẽ của khắc laser được xem là then chốt để thành công nhờ cung cấp phản hồi quy trình và ngăn ngừa lỗi cho các sản phẩm gần như không có khuyết tật.

Scott R. Sabreen là người sáng lập và chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., một công ty kỹ thuật chuyên về các quy trình sản xuất nhựa thứ cấp – khắc laser, tiền xử lý bề mặt, dán keo, trang trí và hoàn thiện bề mặt, cùng bảo mật sản phẩm. Sabreen đã phát triển các công nghệ tiên phong và giải quyết các vấn đề sản xuất trong hơn 30 năm. Quý khách có thể liên hệ theo số 972.820.6777 hoặc truy cập www.sabreen.com hoặc www.plasticslasermarking.com

---