Khắc laser và mã thị giác máy cho bảo mật sản phẩm và truy xuất nguồn gốc

Khắc laser và mã thị giác máy cho bảo mật sản phẩm và truy xuất nguồn gốc

Nhu cầu của ngành sản xuất công nghiệp đối với khắc trực tiếp lên chi tiết (direct part marking) bền vĩnh viễn, chứa mã thị giác máy, đang tăng theo cấp số nhân. Khắc trực tiếp lên chi tiết cho phép theo dõi sản phẩm từ khâu sản xuất đến hết vòng đời sử dụng. Nhu cầu này 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 triển khai nhiều chiến lược nhằm thiết lập khả năng truy xuất nguồn gốc và ngăn chặn hành vi can thiệp trái phép cũng như hàng giả. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (DoD) ban hành MIL-STD-130M làm quy chuẩn thực hành cho tài sản quân sự. Ngoài các yêu cầu quân sự của DoD, các nhà sản xuất sản phẩm công nghiệp thương mại thuộc các lĩnh vực ô tô, bao bì, dược phẩm, điện tử và hàng tiêu dùng cũng đang tích cực áp dụng các tiêu chuẩn tương tự.

Khắc trực tiếp lên chi tiết với thông tin nhận dạng duy nhất đòi hỏi công nghệ xử lý kỹ thuật số như in phun, khắc chấm (dot peen) và khắc laser. 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, không tốn chi phí mực in/dung môi tiêu hao đắt đỏ và không cần bước đóng rắn sau đó. Hơn nữa, laser có thể khắc các mã thị giác máy có kích thước nhỏ nhất. Điều này rất quan trọng đối với khắc vi mô, hoặc khi chi tiết có diện tích bề mặt hạn chế để khắc chữ và số, logo hay sơ đồ. Các hoạt động sản xuất 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 chi tiết của vết khắc.

Những điểm chính

• Khắc trực tiếp lên chi tiết cho phép theo dõi sản phẩm từ khâu sản xuất đến hết vòng đời, đúng điều mà nhận dạng duy nhất yêu cầu.
• MIL-STD-130M là tiêu chuẩn của DoD, và các lĩnh vực thương mại từ ô tô đến bao bì đã áp dụng theo.
• Với cùng lượng dữ liệu mã hóa, Data Matrix chỉ có kích thước bằng 1/10 đến 1/100 mã vạch.
• Tính dự phòng được thiết kế sẵn. Dữ liệu được phân tán khắp ký hiệu, kèm cơ chế sửa lỗi để phục hồi khi bị hư hỏng.
• Một mã kích thước một phần tư inch được khắc trong khoảng 200 mili giây trên các chi tiết nhiên liệu ô tô đặt dưới nắp capô.

Câu hỏi thường gặp

Mã thị giác máy là gì?

Là thông tin được mã hóa mà máy quét quang học hoặc camera có thể diễn giải. Mã vạch một chiều quen thuộc biểu diễn dữ liệu bằng các vạch tối trên nền sáng, tạo ra độ phản xạ cao và thấp được chuyển thành các số 1 và 0, với dữ liệu lưu trong độ rộng và khoảng cách của các vạch song song. Các mẫu mới hơn dùng chấm, vòng tròn đồng tâm và văn bản ẩn trong hình ảnh.

Vì sao nên dùng Data Matrix thay vì mã vạch trên chi tiết nhỏ?

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, nên chỉ cần rất ít diện tích bề mặt chi tiết là đủ chứa lượng lớn dữ liệu sản xuất. 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, và cơ chế sửa lỗi giúp phục hồi dữ liệu khi có khuyết tật.

Những loại nhựa nào thường được khắc để truy xuất nguồn gốc?

Acetal, nylon, polyolefin, polycarbonate, polyester và styrenic — tất cả đều là vật liệu trơ về mặt hóa học, không phân cực, có năng lượng bề mặt thấp. Đó chính là lý do khắc laser được ưu tiên hơn các quy trình dùng mực vốn cần tiền xử lý và đóng rắn.

Mã dưới nắp capô ô tô mang những dữ liệu nào?

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. Một mã kích thước một phần tư inch được khắc trong khoảng 200 mili giây.

Điều gì thúc đẩy sự tăng trưởng của 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 triển khai chiến lược thiết lập truy xuất nguồn gốc và ngăn chặn can thiệp trái phép cũng như hàng giả; MIL-STD-130M là quy chuẩn thực hành của Bộ Quốc phòng, còn các nhà sản xuất thương mại áp dụng các tiêu chuẩn tương đương.

Mã thị giác máy là gì?

Mã đọc được bằng máy (mã thị giác) là thông tin được mã hóa 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). Tuy nhiên, các mẫu mới hơn gồm chấm, vòng tròn đồng tâm và mã văn bản ẩn trong hình ảnh cũng được sử dụng. Tại Hoa Kỳ, UPC (Universal Product Code) là loại mã vạch nổi tiếng và được dùng rộng rãi nhất trong hàng bán lẻ và hàng tiêu dùng.

Mặc dù các sơ đồ mã vạch hiện đại có thể chứa bộ ký tự ASCII, các ngành sản xuất như điện tử, hàng không vũ trụ, ô tô, dược phẩm… vẫn 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. Chúng 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 Data Matrix 2D và mã vạch.

So sánh giữa mã 2D 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 chỉ bằng 1/10 đến 1/100 mã vạch với cùng lượng dữ liệu mã hóa. Do đó, chỉ cần rất ít không gian trên chi tiết mà vẫn chứa được nhiều 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. Hình 2 so sánh mã Data Matrix với mã vạch.

Khắc laser

Phần này tập trung vào việc dùng mã Data Matrix 2D trên các chi tiết và cụm lắp ráp nhựa ba chiều (gồm acetal, nylon, polyolefin, polycarbonate, polyester, styrenic, v.v.). Các loại nhựa này trơ về mặt hóa học, không phân cực và có năng lượng bề mặt thấp. Đối với khắc trực tiếp lên chi tiết, laser Nd:YAG có ưu điểm so với các quy trình dùng mực như in phun vốn cần tiền xử lý bề mặt và đóng rắn. Laser Nd:YAG điều hướng chùm tia (“YAG”) ở bước sóng 1064nm (vùng hồng ngoại gần) được ưa chuộng trong ngành khắc laser nhờ bước sóng phát xạ, hiệu suất công suất và tính linh hoạt. Nhờ đó tốc độ khắc nhanh hơn, chất lượng cao hơn và sản lượng lớn hơn.

Để tham chiếu, laser CO₂ sóng liên tục (CW) hoạt động ở bước sóng 10,6 µm (vùng hồng ngoại xa). Laser CO₂ tạo ra công suất đỉnh thấp hơn nhiều so với laser YAG, do đó không thể tạo vết khắc tương phản cao trên hầu hết các loại nhựa. Lưu ý, laser CO₂ thường được dùng để khắc mã vạch và mã ma trận trên nhãn, giấy và để bóc lớp mực (ablation).

Cơ chế của khắc laser là chiếu xạ polymer bằng nguồn bức xạ năng lượng cao cục bộ (laser). Năng lượng bức xạ sau đó được vật liệu hấp thụ và chuyển thành nhiệt năng. Nhiệt năng gây ra các phản ứng trong vật liệu. Không phải mọi laser YAG điều hướng chùm tia đều giống nhau.

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 chất lượng và tốc độ khắc. Một thông số chính là mật độ công suất (watt/cm²) tại bề mặt khắc (khác với công suất đầu ra thô của laser). Máy khắc laser Nd:YAG điều hướng chùm tia (nguồn sáng đèn hồ quang và diode) sử dụng các gương gắn trên galvanometer tốc độ cao điều khiển bằng máy tính để dẫn chùm laser đi khắp bề mặt cần khắc, giống như viết bằng bút chì trên giấy. Mỗi galvanometer, một cho trục Y và một cho trục X, tạo chuyển động cho chùm tia trong vùng khắc. Cụm thấu kính trường phẳng hội tụ ánh sáng laser để đạt mật độ công suất cao trên bề mặt vật liệu nền. Hình 3 minh họa hệ thống dẫn chùm tia quang học dùng galvanometer điều khiển bằng máy tính.

Chế độ đầu ra của chùm laser có vai trò quyết định đối với hiệu suất khắc. Nhà sản xuất có thể cung cấp laser ở chế độ đa mode, TEM00 (chế độ điện từ ngang) hoặc bất kỳ chế độ trung gian nào, bao gồm chế độ bậc thấp. 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. Laser chế độ bậc thấp và TEM00 đặc biệt phù hợp để khắc vector tốc độ cao mã Data Matrix và mã vạch, chữ số nét đơn, phông true-type tô đầy và đồ họa phức tạp, nhờ khả năng tạo điểm hội tụ nhỏ, cho đường khắc rất hẹp với cạnh sắc nét.

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 (qua bộ Q-switch âm-quang) 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. 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. Vận tốc chùm tia (tốc độ) cũng là một yếu tố then chốt.

Việc sử dụng phụ gia khắc laser sẽ tăng cường và tối ưu độ tương phản của mã thị giác máy, đồng thời rút ngắn thời gian chu kỳ khắc. Những yếu tố này cuối cùng giúp tiết kiệm chi phí và tăng sản lượng sản xuất. Các giải pháp khoa học vật liệu này hiệu quả về chi phí, dễ sử dụng và, với công thức phù hợp, không gây ảnh hưởng bất lợi đến tính chất vật lý và hóa học của sản phẩm polymer.

Ứng dụng

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 acetal, nylon và polyester). Như minh họa trong Ví dụ A, trang 32, mã kích thước ¼ inch được khắc trong khoảng 200 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). Những tiến bộ công nghệ mới trong khắc laser acetal tiếp tục mở rộng phạm vi đánh số seri và truy xuất nguồn gốc sản phẩm. Ví dụ B: 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 (W.I.P.).”

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 tổng thể 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.

---