الوسم بليزر الألياف لأمن المنتج والتعريف ومكافحة التزييف

الوسم بليزر الألياف لأمن المنتج والتعريف ومكافحة التزييف

يوفر الوسم بالليزر مزايا على وضع الملصقات داخل القالب والطباعة بالحبر في الوسم المباشر للقطع على المنتجات البلاستيكية. ويزيد ظهور ليزرات ألياف الإتربيوم من تميّز الليزر بوصفه أسلوبًا مهمًا لإضافة إجراءات الأمان ومكافحة التزييف.

تتزايد بسرعة متطلبات التصنيع الصناعي للوسم المباشر الدائم للقطع الذي يتضمن رموز الرؤية الآلية. وثلاثة من أنواع الرموز المألوفة هي QR وData Matrix والباركود. ويتيح الوسم المباشر للقطع تتبع منتج فريد واحد منذ لحظة تصنيعه حتى نهاية عمره الافتراضي. ويأتي الطلب على رموز الرؤية الآلية مدفوعًا بتزايد متطلبات إمكانية تتبع المكونات والتعريف الفريد للمنتج (UID). وبعد أحداث 11 سبتمبر، بدأت الشركات المصنعة في تطبيق استراتيجيات لإرساء إمكانية التتبع ومنع العبث بالمنتجات وتزييفها. وقد وضعت وزارة الدفاع الأمريكية (DoD) المعيار MIL-STD-130 بوصفه الممارسة القياسية للممتلكات العسكرية. وإلى جانب وزارة الدفاع، تتبنى الشركات المصنعة للمنتجات الصناعية التجارية، ومنها قطاعات السيارات والأدوية والإلكترونيات والتغليف والسلع الاستهلاكية، معايير مماثلة بحماس.

أبرز النقاط

• رموز Data Matrix أصغر من الباركود الحامل للبيانات نفسها بمقدار 10 إلى 100 مرة، وهذا حاسم حيث تكون مساحة السطح شحيحة.
• يبلغ نحو نصف كل رمز احتياطيًا بحكم التصميم، مما يمنح فرصة بنسبة 50/50 ألا يؤثر تلف الخلايا في إمكانية القراءة.
• وضع MIL-STD-130 المعيار، وتبنّت قطاعات السيارات والأدوية والإلكترونيات والتغليف معايير مماثلة.
• يُساء قراءة نحو 25% من رموز الرؤية الآلية بسبب ضعف جودة الدقة، وهو في معظمه قصور في الطباعة النفاثة للحبر.
• يُوسم رمز ثنائي الأبعاد بحجم 1/6 بوصة في أقل من 150 ميلي ثانية على مكونات الوقود في السيارات تحت غطاء المحرك.

الأسئلة الشائعة

لماذا نستخدم الوسم بالليزر بدلًا من الطباعة النفاثة للحبر لرموز الرؤية الآلية؟

بسبب الدقة والديمومة. فالطباعة النفاثة للحبر غير الدائمة لا تستطيع تحقيق دقة حواف الخطوط الدقيقة التي تحتاجها الرؤية الآلية، خاصة على القطع الصغيرة، ويعتقد الخبراء أن نحو 25% من رموز الرؤية الآلية يُساء قراءتها بسبب ضعف جودة الدقة. كما تفشل معظم الأحبار في الالتصاق الكافي بالبلاستيك منخفض طاقة السطح حتى مع المعالجة الأولية.

ما ميزة Data Matrix على الباركود؟

الحجم والمتانة. فلقدر متساوٍ من البيانات المشفّرة، يبلغ حجم Data Matrix من 1/10 إلى 1/100 من حجم الباركود. والبيانات موزعة في أنحاء الرمز، ولذلك يتكون من نحو نصف أسود ونصف أبيض، مما يعطي فرصًا متكافئة تقريبًا ألا يضر تلف الخلايا بإمكانية القراءة، كما يساعد تصحيح الأخطاء المدمج على استعادة البيانات عند تلف الرمز.

هل يمكن قراءة رموز Data Matrix بماسح الباركود؟

لا. فلا يوجد عادةً نمط مسح يغطي الرمز بأكمله، ولذلك يجب مسح Data Matrix بجهاز التقاط بالكاميرا لا بماسح ليزري.

ما الذي دفع إلى اعتماد الوسم المباشر للقطع؟

متطلبات إمكانية التتبع والتعريف الفريد. فبعد أحداث 11 سبتمبر بدأت الشركات المصنعة في تطبيق استراتيجيات لإرساء إمكانية التتبع ومنع العبث والتزييف، ووضعت وزارة الدفاع الأمريكية المعيار MIL-STD-130 بوصفه الممارسة القياسية للممتلكات العسكرية. وتبنّت القطاعات التجارية معايير مماثلة.

ما البيانات التي يستطيع رمز ثنائي الأبعاد صغير حملها فعليًا؟

على مكونات الوقود في السيارات تحت غطاء المحرك، يحمل رمز بحجم 1/6 بوصة يُوسم في أقل من 150 ميلي ثانية إمكانية تتبع كاملة للمكوّن: دفعة الراتنج وآلة القولبة والتاريخ والوردية والوقت ونتائج اختبار التسرب للتجميع.

تقنيات الوسم/الطباعة الرقمية مقابل التناظرية

يتطلب الوسم المباشر للقطع الذي يحمل معلومات تعريف فريدة تقنية «رقمية» مثل الوسم بالليزر والطباعة النفاثة للحبر والنقر بالنقاط (dot peen). ويُلاحظ أن الوسم داخل القالب والتسمية بالنقل الحراري عمليتان من خطوتين وأكثر كلفة بكثير من الوسم بالليزر، ولا يتناولهما هذا المقال. وبالنسبة إلى كثير من المنتجات البلاستيكية ثلاثية الأبعاد، يُفضَّل الليزر لأن العملية تنتج علامات دائمة عالية التباين ولا تتطلب تكاليف باهظة للأحبار/المذيبات المستهلكة ولا معالجة لاحقة بالتصلب. ويستطيع الليزر وسم أصغر رموز الرؤية الآلية حجمًا بدقة. وهذا مهم في الوسم الدقيق وعندما تكون مساحة السطح محدودة على القطعة أو المكوّن المراد وسمه بالأحرف والأرقام أو الشعارات أو المخططات. وتتطلب عمليات ستة سيجما الصارمة أن تكون جميع المنتجات قابلة للقراءة بنسبة 100 بالمئة، بشريًا أو بالرؤية الآلية، بصرف النظر عن حجم الوسم الفعلي وتعقيده.

من الأمثلة التطبيقية الممتازة رموز Data Matrix ثنائية الأبعاد التي تُطبَّق بالليزر على مكونات وتجميعات الوقود في السيارات تحت غطاء المحرك في البيئات القاسية، وهي عادةً من بوليمرات الأسيتال والنايلون والبوليستر (الصورة 1). ويُوسم الرمز بحجم 1/6 بوصة في أقل من 150 ميلي ثانية. وتشمل البيانات المضمّنة في الرمز إمكانية تتبع كاملة للقطعة (من دفعة الراتنج وآلة القولبة والتاريخ والوردية والوقت إلى اختبار التسرب للتجميع).

كما أوضح أحد المديرين التنفيذيين في قطاع السيارات: «كثير من مكونات الوقود من الأسيتال تحت غطاء المحرك التي نصممها مدمجة الحجم. والوسم الدقيق الدائم للمعلومات الحرجة ورموز Data Matrix قرب نهاية عمليات التجميع الآلي، بعد اختبار التسرب المباشر على خط الإنتاج، له قيمة كبيرة في القطاع. كما يفيد التعريف الفريد للقطع في إدارة المخزون الداخلي للأعمال قيد التنفيذ.»

وبالمقارنة مع الوسم بالليزر دون تلامس وعمليات الطباعة النفاثة للحبر، فإن الطباعة بالبطانة والطباعة بالشاشة «التناظريتين» بنقل الحبر لا تستطيعان إنتاج وسم دائم أو تعريف فريد على مستوى الوحدة على معظم أنواع البلاستيك.

وعلاوة على ذلك، ترتبط بالعملية تكاليف متغيرة متكررة باهظة للأحبار والبطانات (tampons) وألواح الطباعة (clichés) والمواد الكيميائية. وعند مقارنة الوسم بالليزر بالطباعة النفاثة للحبر، تتشابه وفورات الحبر والمواد المستهلكة. أما الطباعة النفاثة للحبر غير الدائمة فلا تستطيع تحقيق دقة حواف الخطوط الدقيقة، وهي أساسية للرؤية الآلية، خاصة على القطع الصغيرة. ويعتقد الخبراء أن 25% من رموز الرؤية الآلية يُساء قراءتها بسبب ضعف جودة الدقة. ولا يفوتنا أن معظم الأحبار لا تلتصق بشكل كافٍ بكثير من أنواع البلاستيك منخفضة طاقة السطح، حتى مع المعالجة الأولية. وهذه الحالة قائمة في عمليات الطباعة بالحبر الرقمية والتناظرية على حد سواء.

ما هي رموز الرؤية الآلية؟ رموز الرؤية (المقروءة آليًا) تحتوي على معلومات يمكن تفسيرها باستخدام الماسحات الضوئية أو الكاميرات. ومن الأمثلة المألوفة «الباركود» أحادي البعد، وهو تمثيل للمعلومات، عادةً بتباين داكن على خلفية فاتحة، لتكوين انعكاس عالٍ ومنخفض يُحوَّل إلى أصفار وآحاد. وأكثر صيغ الباركود شيوعًا تخزّن البيانات في عروض الخطوط المتوازية المطبوعة (الخطوط السوداء والبيضاء) والمسافات بينها.

ورغم أن مخططات الباركود الحديثة قادرة على احتواء مجموعات أحرف ASCII، فإن بعض عمليات التصنيع تحتاج إلى رموز رؤية آلية أكثر تقدمًا بكثير. وقد أدى السعي المستمر إلى ترميز مزيد من المعلومات في مساحات أصغر إلى تطوير رموز «Data Matrix» ثنائية الأبعاد. ولا يمكن قراءة رموز Data Matrix بالليزر (المستخدم في الباركود) لأنه لا يوجد عادةً نمط مسح يغطي الرمز بأكمله. ويجب مسح رموز Data Matrix بجهاز التقاط بالكاميرا. ويُعد Data Matrix ثنائي الأبعاد رمزًا ثوريًا مقروءًا آليًا صُمم خصيصًا لمعالجة قيود الباركود. ويوضح الشكل 1 الفروق بين الرموز ثنائية الأبعاد (Data Matrix وQR) والباركود

رموز Data Matrix ثنائية الأبعاد مثالية لوسم القطع الصغيرة، وهي مصممة لتحمّل البيئات الصناعية القاسية. ويبلغ حجم رموز Data Matrix من 1/10 إلى 1/100 من حجم الباركود لقدر متساوٍ من البيانات المشفّرة. ويمكن لحيّز صغير جدًا على القطعة أن يحمل بيانات تصنيع مهمة لتتبع المنتج. ويتكون كل رمز من نحو نصف أسود ونصف أبيض، مما يمنح فرصة بنسبة 50/50 ألا يضر تلف الخلايا بإمكانية القراءة. ويجعل ارتفاع مستوى الاحتياطية في Data Matrix (إذ تتوزع البيانات في أنحاء الرمز) ومقاومته لعيوب الطباعة منه رمزًا شديد الموثوقية. كما تعزز مخططات تصحيح الأخطاء المدمجة في الخوارزمية القدرة على استعادة البيانات عند تلف الرمز. انظروا الجدول 1.

إضافات الليزر

تحسّن إضافات الليزر العاملة في الأشعة تحت الحمراء القريبة درجة التباين، ويمكن تعزيزها أكثر بتغيير معاملات إعداد الليزر. وتمتلك البوليمرات خصائص ذاتية تعطي تباين وسم «داكن اللون» أو «فاتح اللون». كما أن بعض مركبات الملوّنات التي تحتوي على كميات قليلة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) وأسود الكربون قد تمتص ضوء الليزر، وفي بعض الحالات تحسّن تباين الوسم. وقد تعطي كل درجة بوليمر، حتى ضمن العائلة البوليمرية نفسها، نتائج مختلفة. ويجب ألا تكون تركيبات الإضافات سامة أو مؤثرة سلبًا في مظهر المنتجات أو خصائصها الفيزيائية أو الوظيفية.

وبالمقارنة مع عمليات الطباعة بالحبر (الطباعة بالبطانة/الشاشة والطباعة النفاثة للحبر)، توفر إضافات الليزر التكلفة ويمكن أن تحقق سرعة وسم أعلى بنسبة 20 بالمئة فأكثر مقارنة بالمواد غير المُحسَّنة. وتُورَّد إضافات الليزر على شكل حبيبات ومسحوق. ويمكن خلط المنتجات الحبيبية مباشرة مع راتنج البوليمر، بينما تُحوَّل صيغ المسحوق إلى ماستر باتش. ويسهل تشتيت معظمها في البوليمرات. وبحسب الإضافة والبوليمر، تتراوح نسبة التحميل بالوزن (في القطعة النهائية) بين 0.01 و4.0 بالمئة.

تحتوي بعض الإضافات على خليط من أكسيد القصدير المطعّم بالأنتيمون وثالث أكسيد الأنتيمون، وقد يضفي ذلك صبغة «رمادية» على عتامة الركيزة الطبيعية (غير الملوّنة). وقد تحتوي إضافات أخرى على جسيمات الألمنيوم وأكاسيد فلزية مختلطة ومركّبات خاصة. وتُجرى تعديلات اللون باستخدام الصبغات والأصباغ للوصول إلى مظهر مطابقة اللون النهائي. وكما تُورَّد تجاريًا، حصلت إضافات محددة (تُستخدم أيضًا في اللحام بالليزر) على موافقة FDA للاستخدام في ملامسة الأغذية وتغليفها وفق الشروط A-H من 21 CFR 178.3297 – الملوّنات للبوليمرات. وتوجد بيانات امتثال مماثلة للاتحاد الأوروبي. وشروط الاعتماد خاصة بنوع البوليمر وحد مستوى التحميل والتماس المباشر أو غير المباشر. ويمكن أن يحقق التأهيل الإضافي للإضافات المعتمدة من FDA عند دمجها في «قطعة نهائية» التوافق الحيوي للأجهزة الطبية.

تقنية ليزر ألياف الإتربيوم

كانت التحسينات في تقنية الليزر عاملًا حاسمًا في التطور السريع لأحدث جيل من إضافات الليزر المعتمدة من FDA. ويُعد ظهور ليزرات ألياف الإتربيوم بالنانو ثانية من أهم التطورات في الوسم واللحام والقص. فمن حيث المبدأ يختلف ليزر الألياف عن ليزرات الوسم الأخرى ذات الحالة الصلبة ذات الضخ بالصمامات الثنائية (DPSS). ففي ليزر الألياف يتوزع الوسط الفعّال الذي يولّد شعاع الليزر داخل كبل ألياف ضوئية متخصص. وعلى خلاف الليزرات الموصولة بالألياف، يقع مسار الشعاع بأكمله داخل كبل الألياف الضوئية حتى بصريات توصيل الشعاع. وهذه البنية الليفية الكاملة مسؤولة إلى حد كبير عن موثوقية هذه الليزرات ومتانتها، مما يفسر نموها السريع.

تعطي ليزرات الألياف جودة شعاع (M2) وسطوعًا فائقين مقارنةً بليزر Nd:YAG. ويمكن تركيز الليزر ذي جودة الشعاع الفائقة في بقعة صغيرة الحجم، مما يؤدي إلى كثافة طاقة عالية. وتستطيع ليزرات الألياف من نوع مذبذب رئيسي ومضخم قدرة (MOPA) بنبضة ثابتة ومتغيرة وطاقة نبضة تصل إلى 1mJ وكثافة قدرة عالية وسم كثير من البوليمرات الصعبة تاريخيًا. وتمتلك ليزرات الفاناديت كذلك قيمة M2 صغيرة مع عرض نبضة أقصر من ليزرات الألياف الثابتة وYAG. وتؤثر مدة النبضة في درجة الحرارة والكربنة داخل المادة. وتتيح النبضات القصيرة، وهي عادةً أقل من 40ns، إدخال طاقة أكثر تحكمًا عند معالجة المواد البوليمرية الحساسة. وتحتفظ هذه النبضات بالقدرة الذروية اللازمة لتجاوز عتبات المادة، لكن طاقة النبضة فيها أقل للحد من التلف الحراري الموضعي.

تطوير التطبيقات شديد الخصوصية، إذ لا يوجد حل ليزري شامل. ويمكن لليزرات MOPA ذات النبضات القصيرة أن تستثمر بالكامل أداء الإضافات الكيميائية الحساسة المعتمدة من FDA. ويتيح التحكم المكاني والزمني الموضعي في المدخل الحراري لليزر ومعدله تحقيق أقصى أداء. ويتحدد اختيار نوع الليزر الواجب دمجه بخصائص خرج الليزر المتفاعلة مع مادة البوليمر المُحسَّنة.

أنظمة معدات الليزر

إن مكونات العتاد والبرمجيات التي تدمجها الشركة المصنعة للليزر في أنظمتها تحدث فرقًا كبيرًا في تباين الوسم وجودته وسرعته. وأهم خاصية هي كثافة القدرة (W/سم²) عند سطح الوسم، وهي تختلف عن قدرة الخرج الخام لليزر. ويُعد نمط خرج شعاع الليزر عاملًا حاسمًا في أداء الوسم. وترتبط أنماط الخرج هذه بعوامل منها تباعد الشعاع وتوزيع القدرة عبر قطر شعاع الليزر.

تعتمد كثافة القدرة على حجم بقعة الليزر المركّزة. ويعتمد حجم بقعة الليزر المركّزة لأي عدسة ذات بعد بؤري معين وأي طول موجي للليزر على تباعد شعاع الليزر، الذي تتحكم فيه تهيئة الليزر وحجم فتحة اختيار النمط وتكبير موسّع الشعاع (upcollimator). ويُعد معدل تكرار النبضات وكثافة القدرة الذروية من المعاملات الحاسمة في تكوين الوسم وتحقيق التباين والسرعة المثلى. والمنحنيات الحسابية للقدرة مقابل معدل تكرار النبضات متناسبة عكسيًا. فالقدرة الذروية العالية عند تردد منخفض ترفع درجة حرارة السطح بسرعة فتبخّر المادة مع نقل حرارة ضئيلة إلى الركيزة. ومع زيادة تكرار النبضات، تنتج قدرة ذروية أقل تبخيرًا محدودًا لكنها تنقل مزيدًا من الحرارة. ومن العوامل الإضافية المؤثرة في تباين الوسم وجودته، بطبيعة الحال، سرعة الشعاع ومسافة الفصل بين الخطوط المتجهة.

الخلاصة

أنظمة الرؤية الآلية الحديثة ليست مجرد أجهزة فحص مستقلة، بل هي مدمجة في عمليات التصنيع وفق ستة سيجما، بما في ذلك برامج مقاييس الضبط الإحصائي للجودة. وتتضمن الأنظمة المتقدمة ذكاءً اصطناعيًا يوسّع آفاق الليزر ورموز الرؤية الآلية. ويُنظر إلى هذا المزيج القوي مع الوسم بالليزر على أنه حاسم للنجاح لما يوفره من تغذية راجعة للعملية ومنع للأخطاء في منتجات تكاد تخلو من العيوب.

Scott R. Sabreen هو مؤسس The Sabreen Group, Inc. ورئيسها، وهي شركة هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوية للبلاستيك: الوسم بالليزر والمعالجة الأولية للسطح واللصق والتزيين والتشطيب وأمن المنتج. ويطوّر Sabreen تقنيات رائدة ويحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عامًا. ويمكن التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو عبر زيارة www.sabreen.com أو www.plasticslasermarking.com

---