Ürün güvenliği, tanımlama ve sahteciliği önleme için fiber lazer markalama

Ürün güvenliği, tanımlama ve sahteciliği önleme için fiber lazer markalama

Lazer markalama, plastik ürünlerde doğrudan parça markalama için kalıp içi etiketlemeye ve mürekkep esaslı baskıya göre avantajlar sunar. İterbiyum fiber lazerlerin ortaya çıkışı, lazerleri güvenlik ve sahteciliği önleme tedbirleri eklemede önemli bir yöntem olarak daha da öne çıkarmaktadır.

Makine görüşü kodları içeren silinmez doğrudan parça markalamaya yönelik endüstriyel üretim gereksinimleri hızla artıyor. Üç yaygın kod türü QR, Data Matrix ve barkoddur. Doğrudan parça markalama, tek bir benzersiz ürünün üretim anından kullanım ömrünün sonuna kadar izlenmesine olanak tanır. Makine görüşü kodlarına yönelik talebi, bileşen izlenebilirliği ve benzersiz ürün tanımlama (UID) yönündeki artan gereksinimler yönlendiriyor. 11 Eylül sonrasında üreticiler, izlenebilirlik oluşturmak ve ürünlere müdahaleyi ile sahteciliği engellemek için stratejiler uygulamaya başladı. ABD Savunma Bakanlığı (DoD), askeri malzemeler için standart uygulama olarak MIL-STD-130'u geliştirdi. DoD'nin ötesinde otomotiv, ilaç, elektronik, ambalaj ve tüketim ürünleri dahil ticari endüstriyel ürün üreticileri de benzer standartları hızla benimsiyor.

Temel çıkarımlar

• Data Matrix kodları, aynı veriyi taşıyan bir barkodun 1/10 ila 1/100'ü boyutundadır; yüzey alanının kıt olduğu yerlerde kritiktir.
• Her kodun kabaca yarısı tasarım gereği yedeklidir; bu da hücre hasarının okunabilirliği etkilememe ihtimalini 50/50 yapar.
• MIL-STD-130 standardı belirlemiştir; otomotiv, ilaç, elektronik ve ambalaj sektörleri eşdeğerlerini benimsemiştir.
• Makine görüşü kodlarının yaklaşık yüzde 25'i zayıf çözünürlük kalitesi nedeniyle yanlış okunur; bu çoğunlukla bir mürekkep püskürtme sınırlamasıdır.
• Motor bölmesi altındaki otomotiv yakıt bileşenlerinde 1/6 inçlik 2D kod 150 milisaniyeden kısa sürede markalanır.

Sık sorulan sorular

Makine görüşü kodları için neden mürekkep püskürtme yerine lazer markalama kullanılır?

Çözünürlük ve kalıcılık. Silinmez olmayan mürekkep püskürtme, özellikle küçük parçalarda makine görüşünün ihtiyaç duyduğu ince çizgi kenar çözünürlüğüne ulaşamaz ve uzmanlar makine görüşü kodlarının yaklaşık yüzde 25'inin zayıf çözünürlük kalitesi nedeniyle yanlış okunduğuna inanmaktadır. Çoğu mürekkep, ön işlemle bile düşük yüzey enerjili plastiklere yeterince yapışmaz.

Data Matrix'in barkoda göre avantajı nedir?

Boyut ve dayanıklılık. Eşit miktarda kodlanmış veri için Data Matrix, barkodun 1/10 ila 1/100'ü boyutundadır. Veri sembol boyunca dağıtıldığı için kod yaklaşık yarı yarıya siyah ve beyazdır; bu da hücre hasarının okunabilirliği bozmama ihtimalini kabaca eşit kılar ve yerleşik hata düzeltme, sembol hasarından kurtarmaya yardımcı olur.

Data Matrix kodları barkod tarayıcıyla okunabilir mi?

Hayır. Tüm sembolü kapsayabilecek bir tarama deseni genellikle yoktur; bu nedenle Data Matrix, lazer tarayıcıyla değil bir kamera yakalama cihazıyla taranmalıdır.

Doğrudan parça markalamanın benimsenmesini ne tetikledi?

İzlenebilirlik ve benzersiz tanımlama gereksinimleri. 11 Eylül sonrasında üreticiler izlenebilirlik oluşturmak ve müdahale ile sahteciliği engellemek için stratejiler uygulamaya başladı ve ABD Savunma Bakanlığı askeri malzemeler için standart uygulama olarak MIL-STD-130'u geliştirdi. Ticari sektörler de benzer standartları benimsedi.

Küçük bir 2D kod aslında hangi veriyi taşıyabilir?

Motor bölmesi altındaki otomotiv yakıt bileşenlerinde 150 milisaniyeden kısa sürede markalanan 1/6 inçlik bir kod, tam bileşen izlenebilirliğini taşır: reçine partisi, kalıp makinesi, tarih, vardiya ve saat ile montaj sızdırmazlık testi sonuçları.

Dijital ve analog markalama/baskı teknolojileri

Benzersiz tanımlama bilgisi içeren doğrudan parça markalama; lazer markalama, mürekkep püskürtme ve nokta darbeli (dot peen) gibi “dijital” teknolojiler gerektirir. Kalıp içi ve ısı transferli etiketlemenin, lazer markalamadan önemli ölçüde daha pahalı iki aşamalı prosesler olduğunu ve bu makalede ele alınmadığını not edin. Birçok üç boyutlu plastik ürün için tercih edilen yöntem lazerdir; çünkü proses yüksek kontrastlı, silinmez markalar oluşturur ve pahalı sarf mürekkepleri/solventler veya son kürleme gerektirmez. Lazerler en küçük boyutlu makine görüşü kodlarını doğru biçimde markalayabilir. Bu, mikro markalamada ve alfanümerik karakterler, logolar veya şematik çizimlerle markalanacak bir parça ya da bileşen üzerindeki yüzey alanı sınırlı olduğunda önemlidir. Sağlam Altı Sigma operasyonları, gerçek markalamanın boyutu ve karmaşıklığı ne olursa olsun tüm ürünlerin yüzde 100 insan veya makine görüşü tarafından okunabilir olmasını gerektirir.

Mükemmel bir uygulama örneği, motor bölmesi altındaki zorlu ortamlardaki otomotiv yakıt bileşenlerine ve montajlarına, tipik olarak asetal, naylon ve polyester polimerlere lazerle uygulanan 2D Data Matrix kodlarıdır (Fotoğraf 1). 1/6” boyutundaki kod 150 milisaniyeden kısa sürede markalanır. Kodda yer alan veriler, bileşen parçanın tam izlenebilirliğini içerir (reçine partisi, kalıp makinesi, tarih-vardiya-saat ve montaj sızdırmazlık testi).

Bir otomotiv yöneticisinin açıkladığı gibi: “Tasarladığımız motor bölmesi altındaki asetal yakıt bileşenlerinin çoğu kompakttır. Otomatik montaj operasyonlarının sonuna doğru, hat içi sızdırmazlık testinden sonra kritik bilgilerin ve Data Matrix kodlarının silinmez şekilde mikro markalanması sektörde büyük değer taşıyor. Benzersiz parça tanımlama, devam eden işler için şirket içi envanter yönetimine de fayda sağlıyor.”

Temassız lazer markalama ve mürekkep püskürtme proseslerine kıyasla “analog” mürekkep transferli tampon baskı ve serigrafi baskı, çoğu plastikte silinmez markalama veya birim düzeyinde benzersiz tanımlama üretemez.

Ayrıca proses; mürekkeplerin, tamponların (pedlerin), kliselerin (baskı plakalarının) ve kimyasalların pahalı ve sürekli değişken maliyetlerini beraberinde getirir. Lazer markalama ile mürekkep püskürtme karşılaştırıldığında mürekkep ve sarf malzemesi maliyet tasarrufları benzerdir. Silinmez olmayan mürekkep püskürtme, özellikle küçük parçalarda makine görüşü için elzem olan ince çizgi kenar çözünürlüğüne ulaşamaz. Uzmanlar makine görüşü kodlarının yüzde 25'inin zayıf çözünürlük kalitesi nedeniyle yanlış okunduğuna inanmaktadır. Çoğu mürekkebin, ön işlemle bile düşük yüzey enerjili birçok plastiğe yeterince yapışmadığını unutmayın. Bu durum hem dijital hem de analog mürekkep baskı prosesleri için geçerlidir.

Makine görüşü kodları nedir? Makine tarafından okunabilir (görüntü) kodlar, optik tarayıcılar veya kameralar aracılığıyla yorumlanabilen bilgiler içerir. Bilindik bir örnek, bilginin genellikle açık zemin üzerinde koyu kontrast olarak gösterildiği ve 1'lere ve 0'lara dönüştürülen yüksek ve düşük yansıma oluşturan tek boyutlu “barkod”dur. Barkodların en yaygın biçimleri, veriyi basılı paralel çizgilerin (siyah beyaz şeritler) genişliklerinde ve aralıklarında saklar.

Modern barkod şemaları ASCII karakter setlerini içerebilse de bazı üretim alanları çok daha gelişmiş makine görüşü kodları gerektirir. Daha küçük alanlara daha fazla bilgi kodlama yönündeki sürekli çaba, iki boyutlu “Data Matrix” kodlarının geliştirilmesine yol açmıştır. Data Matrix kodları (barkodlarda kullanılan) bir lazerle okunamaz; çünkü tüm sembolü kapsayabilecek bir tarama deseni genellikle yoktur. Data Matrix kodları bir kamera yakalama cihazıyla taranmalıdır. 2D Data Matrix, barkodların sınırlamalarını gidermek üzere özel olarak tasarlanmış devrim niteliğinde bir makine tarafından okunabilir koddur. Şekil 1, 2D kodlar (Data Matrix ve QR) ile barkod arasındaki farkları göstermektedir.

2D Data Matrix kodları küçük parçaların markalanması için idealdir ve zorlu endüstriyel ortamlarda dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Eşit miktarda kodlanmış veri için Data Matrix kodlarının boyutu barkodun 1/10 ila 1/100'üdür. Bir parça üzerindeki çok az alan, ürün izlenebilirliği için önemli miktarda üretim verisi içerebilir. Her kod yaklaşık yarı yarıya siyah ve beyazdır; bu da hücre hasarının okunabilirliği bozmama ihtimalini 50/50 yapar. Data Matrix'in yüksek yedeklilik düzeyi (veriler sembol boyunca dağıtılmıştır) ve baskı kusurlarına karşı direnci onu son derece güvenilir kılar. Algoritmaya yerleşik hata düzeltme şemaları, sembol hasarından kurtarma yeteneğini optimize eder. Bkz. Tablo 1.

Lazer katkı maddeleri

Yakın kızılötesi lazer katkı maddeleri kontrast derecesini iyileştirir; bu da lazer kurulum parametreleri değiştirilerek daha da güçlendirilebilir. Polimerler doğal olarak “koyu renkli” veya “açık renkli” markalama kontrastı verme özelliklerine sahiptir. Düşük miktarda titanyum dioksit (TiO2) ve karbon siyahı içeren bazı renklendirici bileşikler de lazer ışığını absorbe edebilir ve bazı durumlarda markalama kontrastını iyileştirebilir. Aynı polimer ailesi içinde bile her polimer kalitesi farklı sonuçlar verebilir. Katkı maddesi formülasyonları toksik olamaz ve ürünlerin görünümünü veya fiziksel ya da işlevsel özelliklerini olumsuz etkileyemez.

Mürekkep baskı proseslerine (tampon/serigrafi baskı ve mürekkep püskürtme) kıyasla lazer katkı maddeleri maliyet tasarrufu sağlar ve optimize edilmemiş malzemelere göre yüzde 20 ve daha hızlı markalama hızları gösterebilir. Lazer katkı maddeleri pelet granül ve toz formunda tedarik edilir. Granül ürünler doğrudan polimer reçineyle harmanlanabilir; toz formlar ise masterbatch'e dönüştürülür. Çoğu polimerlerde kolayca dağılır. Katkı maddesine ve polimere bağlı olarak (nihai parçadaki) ağırlıkça yükleme konsantrasyonu düzeyi yüzde 0,01 ile 4,0 arasında değişir.

Bazı katkı maddeleri, doğal (renklendirilmemiş) altlık malzeme opaklığına “grimsi” bir ton verebilen antimon katkılı kalay oksit ve antimon trioksit karışımları içerir. Diğer katkı maddeleri alüminyum parçacıkları, karışık metal oksitler ve tescilli bileşikler içerebilir. Nihai renk eşleşmesi görünümünü elde etmek için pigmentler ve boyalar kullanılarak renk ayarlamaları yapılır. Ticari olarak tedarik edilen belirli katkı maddeleri (lazer kaynağında da kullanılan), 21 CFR 178.3297 – Polimerler için renklendiriciler standardının A-H koşulları uyarınca gıda teması ve gıda ambalajı kullanımı için FDA onayı almıştır. Avrupa Birliği için de benzer uyumluluk beyanları mevcuttur. Sertifikasyon koşulları polimer türüne, yükleme düzeyi eşiğine ve doğrudan veya dolaylı temasa özgüdür. “Nihai parçaya” harmanlanmış FDA onaylı katkı maddelerinin daha ileri nitelendirilmesi, tıbbi cihazların biyouyumluluğunu sağlayabilir.

İterbiyum fiber lazer teknolojisi

Lazer teknolojisindeki iyileştirmeler, en yeni nesil FDA onaylı lazer katkı maddelerinin hızlı gelişiminde belirleyici olmuştur. Nanosaniye iterbiyum fiber lazerlerin ortaya çıkışı, markalama, kaynak ve kesme alanındaki en önemli ilerlemelerden biridir. Temelde fiber lazerler, diğer diyot pompalı katı hal (DPSS) markalama lazerlerinden farklıdır. Fiber lazerlerde lazer ışınını üreten aktif ortam, özel bir fiber optik kablonun içine dağılmıştır. Fiberle iletilen lazerlerin aksine ışının tüm yolu, ışın iletim optiklerine kadar fiber optik kablonun içindedir. Bu tamamen fiber yapı, bu lazerlerin güvenilirliğinden ve sağlamlığından büyük ölçüde sorumludur; bu da hızlı büyümelerini açıklar.

Fiber lazerler, Nd:YAG lazerlere kıyasla üstün ışın kalitesi (M2) ve parlaklık sağlar. Üstün ışın kalitesine sahip bir lazer küçük bir nokta boyutuna odaklanabilir; bu da yüksek enerji yoğunluğuna yol açar. 1mJ'ye kadar darbe enerjisine ve yüksek güç yoğunluğuna sahip sabit ve değişken darbeli ana osilatör güç yükselteci (MOPA) fiber lazerler, tarihsel olarak zor birçok polimeri markalayabilir. Vanadat lazerler de sabit fiber ve YAG lazerlerden daha kısa darbe genişliğiyle küçük bir M2 değerine sahiptir. Darbe süresi, malzemeye giren ısı ve karbonizasyon derecesini etkiler. Genellikle <40ns olan kısa darbeler, hassas polimerik malzemeleri işlerken daha kontrollü enerji girdisi sağlar. Bu darbeler, malzeme eşiklerini aşmak için tepe gücü korur ancak yerel ısıl hasarı azaltmak için daha düşük darbe enerjisine sahiptir.

Uygulama geliştirme son derece özgüdür; çünkü evrensel bir lazer çözümü yoktur. Kısa darbe süreli MOPA lazerler, hassas FDA onaylı kimyasal katkı maddelerinin performansından tam olarak yararlanabilir. Lazer ısı girdisinin ve ısı girdisi hızının yerel uzamsal ve zamansal kontrolü, azami performansı mümkün kılar. Hangi lazer türünün entegre edileceğinin seçimi, lazerin çıkış özelliklerinin optimize edilmiş polimer malzemeyle etkileşimine göre belirlenir.

Lazer ekipman sistemleri

Bir lazer üreticisinin sistemlerine dahil ettiği donanım ve yazılım bileşenleri; markalama kontrastı, kalitesi ve hızında önemli fark yaratır. Temel özellik, markalanan yüzeydeki güç yoğunluğudur (W/cm²) (bu, lazerin ham çıkış gücünden farklıdır). Lazer ışınının çıkış modu, markalama performansı için kritiktir. Bu çıkış modları, ışın ıraksaması ve lazer ışınının çapı boyunca güç dağılımı gibi faktörlerle ilişkilidir.

Güç yoğunluğu, odaklanmış lazer nokta boyutunun bir fonksiyonudur. Belirli bir odak uzaklığındaki lens ve lazer dalga boyu için odaklanmış lazer nokta boyutu, lazer konfigürasyonu, mod seçici diyafram boyutu ve genişletici (ışın genişletici) büyütmesi tarafından kontrol edilen lazer ışını ıraksamasının bir fonksiyonudur. Darbe tekrarlama hızı ve tepe güç yoğunluğu, markanın oluşturulmasında ve en uygun kontrast ile hızın elde edilmesinde kritik parametrelerdir. Güç ile darbe tekrarlama hızının aritmetik eğrileri ters orantılıdır. Düşük frekansta yüksek tepe gücü, altlık malzemeye minimum ısı ileterek malzemeyi buharlaştırırken yüzey sıcaklığını hızla artırır. Darbe tekrarlaması arttıkça daha düşük tepe gücü minimum buharlaşma sağlar ancak daha fazla ısı iletir. Markalama kontrastını ve kalitesini etkileyen diğer katkıda bulunan faktörler ise elbette ışın hızı ve vektör çizgi aralığı mesafesidir.

Sonuç

Modern makine görüşü sistemleri yalnızca bağımsız muayene cihazları değildir. Aksine, istatistiksel kalite kontrol metrik programlarını da içeren Altı Sigma imalat operasyonlarına entegre edilmiştir. Gelişmiş sistemler yapay zekâ içerir; bu da lazerlerin ve makine görüşü kodlarının kapsamını daha da genişletir. Lazer markalamanın güçlü kombinasyonu, neredeyse sıfır hatalı ürünler için proses geri bildirimi ve hata önleme sağlayarak başarı için kritik kabul edilmektedir.

Scott R. Sabreen, plastik ikincil işleme prosesleri (lazer markalama, yüzey ön işlemleri, yapıştırma, dekorasyon ve yüzey işleme ile ürün güvenliği) alanında uzmanlaşmış bir mühendislik şirketi olan The Sabreen Group, Inc.'in kurucusu ve başkanıdır. Sabreen, 30 yılı aşkın süredir öncü teknolojiler geliştirmekte ve imalat sorunlarını çözmektedir. Kendisine 972.820.6777 numaralı telefondan veya www.sabreen.com ya da www.plasticslasermarking.com adreslerini ziyaret ederek ulaşabilirsiniz.

---