סימון בלייזר סיב לאבטחת מוצרים, זיהוי ומניעת זיופים

סימון בלייזר סיב לאבטחת מוצרים, זיהוי ומניעת זיופים

לסימון בלייזר יתרונות על פני תיוג בתוך התבנית (in-mold) והדפסה מבוססת דיו לסימון ישיר על החלק במוצרי פלסטיק. הופעתם של לייזרי סיב יטרביום מבדילה עוד יותר את הלייזרים כשיטה חשובה להוספת אמצעי אבטחה ומניעת זיופים.

דרישות התעשייה לסימון קבוע ישירות על החלק, הכולל קודי ראיית מכונה, גדלות במהירות. שלושה סוגי קוד מוכרים הם QR, Data Matrix וברקוד. סימון ישיר על החלק מאפשר לעקוב אחר מוצר ייחודי בודד מרגע הייצור ועד סוף חייו השימושיים. הביקוש לקודי ראיית מכונה מונע מדרישות הולכות וגוברות לעקיבות רכיבים ולזיהוי ייחודי של מוצרים (UID). לאחר אירועי 11 בספטמבר החלו יצרנים ליישם אסטרטגיות להבטחת עקיבות ולמניעת שיבוש מוצרים וזיופים. משרד ההגנה של ארצות הברית (DoD) פיתח את MIL-STD-130 כנוהג המקובל ברכוש צבאי. מעבר ל-DoD, יצרנים של מוצרי תעשייה מסחריים, ובהם ענפי הרכב, התרופות, האלקטרוניקה, האריזה ומוצרי הצריכה, מאמצים תקנים דומים בהתמדה.

עיקרי הדברים

• קודי Data Matrix קטנים פי 10 עד פי 100 מברקוד הנושא אותו מידע, נתון קריטי כשיש מעט שטח פנים.
• כמחצית מכל קוד היא יתירות מתוכננת, המעניקה סיכוי של 50/50 שפגיעה בתא לא תשפיע על הקריאות.
• MIL-STD-130 קבע את התקן, וענפי הרכב, התרופות, האלקטרוניקה והאריזה אימצו תקנים מקבילים.
• כ-25% מקודי ראיית המכונה נקראים בטעות בשל איכות רזולוציה ירודה, בעיקר מגבלה של הזרקת דיו.
• קוד דו-ממדי בגודל 1/6 אינץ' מסומן תוך פחות מ-150 אלפיות השנייה על רכיבי דלק לרכב הממוקמים מתחת למכסה המנוע.

שאלות נפוצות

מדוע להשתמש בסימון בלייזר ולא בהזרקת דיו לקודי ראיית מכונה?

בגלל הרזולוציה והקביעות. הזרקת דיו שאינה קבועה אינה מסוגלת להשיג את רזולוציית קצה הקו הדקה שראיית מכונה זקוקה לה, במיוחד על חלקים קטנים, ומומחים מעריכים שכ-25% מקודי ראיית המכונה נקראים בטעות בשל איכות רזולוציה ירודה. רוב הדיו גם אינם נדבקים כראוי לפלסטיק בעל אנרגיית פני שטח נמוכה, אפילו עם טיפול מקדים.

מה היתרון של Data Matrix על פני ברקוד?

גודל ועמידות. עבור אותו נפח מידע מקודד, Data Matrix קטן פי 10 עד פי 100 מברקוד. הנתונים מפוזרים בכל הסמל, ולכן הקוד הוא בערך חצי שחור וחצי לבן, מה שמעניק סיכוי כמעט שווה שפגיעה בתא לא תפגע בקריאות, ותיקון שגיאות מובנה מסייע בשחזור לאחר פגיעה בסמל.

האם ניתן לקרוא קודי Data Matrix בעזרת סורק ברקוד?

לא. בדרך כלל אין דפוס סריקה שיכסה את הסמל כולו, ולכן יש לסרוק Data Matrix בהתקן לכידה מבוסס מצלמה ולא בסורק לייזר.

מה הניע את אימוץ הסימון הישיר על החלק?

דרישות עקיבות וזיהוי ייחודי. לאחר אירועי 11 בספטמבר החלו יצרנים ליישם אסטרטגיות להבטחת עקיבות ולמניעת שיבוש וזיופים, ומשרד ההגנה האמריקאי פיתח את MIL-STD-130 כנוהג המקובל ברכוש צבאי. תחומים מסחריים אימצו תקנים דומים.

איזה מידע יכול קוד דו-ממדי קטן להכיל בפועל?

ברכיבי דלק לרכב הממוקמים מתחת למכסה המנוע, קוד בגודל 1/6 אינץ' המסומן תוך פחות מ-150 אלפיות השנייה נושא עקיבות מלאה של הרכיב: אצוות שרף, מכונת יציקה, תאריך, משמרת ושעה, ותוצאות בדיקת דליפה של ההרכבה.

טכנולוגיות סימון/הדפסה דיגיטליות לעומת אנלוגיות

סימון ישיר על החלק הנושא מידע זיהוי ייחודי מחייב טכנולוגיה "דיגיטלית" כגון סימון בלייזר, הזרקת דיו וסימון בנקודות (dot peen). יש לציין שתיוג בתוך התבנית (in-mold) ותיוג בהעברת חום הם תהליכים דו-שלביים יקרים משמעותית מסימון בלייזר, ואינם נידונים במאמר זה. עבור מוצרי פלסטיק תלת-ממדיים רבים לייזרים הם השיטה המועדפת, משום שהתהליך מניב סימונים קבועים בניגודיות גבוהה ואינו דורש דיו/ממסים מתכלים יקרים או ריפוי לאחר מכן. לייזרים יכולים לסמן במדויק את קודי ראיית המכונה הקטנים ביותר. הדבר חשוב לסימון מיקרו וכשיש שטח פנים מוגבל בחלק או ברכיב לסימון אלפאנומרי, לוגו או תרשימים סכמטיים. פעילויות שש סיגמא עמידות דורשות שכל המוצרים יהיו ברי קריאה ב-100 אחוז, בידי אדם או בראיית מכונה, ללא קשר לגודל הסימון ולמורכבותו.

דוגמה מצוינת ליישום היא קודי Data Matrix דו-ממדיים המוחלים בלייזר על רכיבי והרכבות דלק לרכב מתחת למכסה המנוע בסביבה קשה, בדרך כלל פולימרים מסוג אצטלים, ניילונים ופוליאסטרים (תמונה 1). קוד בגודל 1/6 אינץ' מסומן תוך פחות מ-150 אלפיות השנייה. המידע הכלול בקוד כולל עקיבות מלאה של רכיב החלק (מאצוות השרף, מכונת היציקה, תאריך-משמרת-שעה ועד בדיקת הדליפה של ההרכבה).

כפי שהסביר מנהל בכיר בענף הרכב, "רבים מרכיבי הדלק מאצטל שאנו מתכננים למתחת למכסה המנוע הם קומפקטיים. לסימון מיקרו קבוע של מידע קריטי ושל קודי Data Matrix, סמוך לסוף פעולות ההרכבה האוטומטיות ולאחר בדיקת דליפה בקו, יש ערך רב בתעשייה. זיהוי חלק ייחודי מסייע גם בניהול מלאי פנימי של עבודה בתהליך."

בהשוואה לסימון בלייזר ללא מגע ולתהליכי הזרקת דיו, הדפסת טמפו והדפסת רשת "אנלוגיות" בהעברת דיו אינן יכולות ליצור סימון קבוע או זיהוי ייחודי ברמת היחידה על רוב סוגי הפלסטיק.

בנוסף, התהליך כרוך בעלויות משתנות חוזרות ויקרות של דיו, טמפונים (pads), קלישאות (לוחות הדפסה) וכימיקלים. בהשוואה בין סימון בלייזר להזרקת דיו, החיסכון בעלויות הדיו והחומרים המתכלים דומה. הזרקת דיו שאינה קבועה אינה מסוגלת להשיג רזולוציית קצה קו דקה, החיונית לראיית מכונה, במיוחד על חלקים קטנים. מומחים מעריכים ש-25% מקודי ראיית המכונה נקראים בטעות בשל איכות רזולוציה ירודה. יש לזכור שרוב הדיו אינם נדבקים כראוי לפלסטיקים רבים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה, אפילו עם טיפול מקדים. מצב זה קיים הן בתהליכי הדפסה דיגיטליים והן באנלוגיים.

מהם קודי ראיית מכונה? קודים קריאי מכונה (ראייה) מכילים מידע שניתן לפענח באמצעות סורקים אופטיים או מצלמות. דוגמה מוכרת היא ה"ברקוד" החד-ממדי, ייצוג של מידע, בדרך כלל בניגודיות כהה על רקע בהיר, היוצר החזרה גבוהה ונמוכה המומרת ל-1 ו-0. הפורמטים הנפוצים ביותר של ברקוד מאחסנים נתונים ברוחבי הקווים המקבילים המודפסים (פסים שחורים ולבנים) וברווחים ביניהם.

אף שסכמות ברקוד מודרניות יכולות להכיל קבוצות תווים של ASCII, חלק מהייצור דורש קודי ראיית מכונה מתקדמים בהרבה. השאיפה המתמשכת לקודד יותר מידע במקום קטן יותר הובילה לפיתוח קודי "Data Matrix" דו-ממדיים. לייזר (בו משתמשים בברקוד) אינו יכול לקרוא קודי Data Matrix, משום שבדרך כלל אין דפוס סריקה שיכסה את הסמל כולו. יש לסרוק קודי Data Matrix בהתקן לכידה מבוסס מצלמה. Data Matrix דו-ממדי הוא הקוד הקריא-מכונה המהפכני שתוכנן במיוחד להתמודד עם מגבלות הברקוד. איור 1 מציג את ההבדלים בין קודים דו-ממדיים (Data Matrix ו-QR) לברקוד

קודי Data Matrix דו-ממדיים אידיאליים לסימון חלקים קטנים ומתוכננים לשרוד בסביבות תעשייה קשות. גודלם של קודי Data Matrix הוא 1/10 עד 1/100 מגודל ברקוד, עבור אותו נפח מידע מקודד. מעט מאוד שטח בחלק יכול להכיל נתוני ייצור משמעותיים לצורכי עקיבות מוצר. כל קוד הוא בערך חצי שחור וחצי לבן, ולכן יש סיכוי של 50/50 שפגיעה בתא לא תפגע בקריאות. היתירות הגבוהה של Data Matrix (הנתונים מפוזרים בכל הסמל) והעמידות שלו בפני פגמי הדפסה הופכות אותו לאמין ביותר. סכמות תיקון שגיאות המובנות באלגוריתם מייעלות את היכולת לשחזר מידע לאחר פגיעה בסמל. ראו טבלה 1.

תוספי לייזר

תוספי לייזר לאינפרא-אדום קרוב משפרים את מידת הניגודיות, שאפשר להגביר עוד באמצעות שינוי פרמטרי הגדרת הלייזר. לפולימרים יש מאפיינים מובנים המניבים ניגודיות סימון "כהה" או "בהירה". גם תרכובות צבען מסוימות המכילות כמויות קטנות של טיטניום דיאוקסיד (TiO2) ופחמן שחור עשויות לבלוע אור לייזר ובמקרים מסוימים לשפר את ניגודיות הסימון. כל דרגת פולימר, אפילו בתוך אותה משפחת פולימרים, יכולה להניב תוצאות שונות. ניסוחי תוספים אינם יכולים להיות רעילים או לפגוע במראה המוצרים או בתכונותיהם הפיזיקליות או התפקודיות.

בהשוואה לתהליכי הדפסה בדיו (הדפסת טמפו/רשת והזרקת דיו), תוספי לייזר חוסכים בעלויות ויכולים להציג מהירות סימון גבוהה ב-20 אחוז ויותר לעומת חומרים שאינם מותאמים. תוספי לייזר מסופקים בצורת גרגירים (פלט) ואבקה. מוצרי גרגירים ניתנים לערבוב ישיר עם שרף הפולימר, ואילו צורות אבקה הופכות למאסטרבאץ'. רובם מתפזרים בקלות בפולימרים. בהתאם לתוסף ולפולימר, רמת ריכוז הטעינה במשקל (בחלק הסופי) נעה בין 0.01 ל-4.0 אחוזים.

חלק מהתוספים מכילים תערובות של תחמוצת בדיל מסוממת באנטימון ואנטימון טריאוקסיד, העלולות להעניק גוון "אפרפר" לאטימות הטבעית (הלא צבועה) של המצע. תוספים אחרים יכולים להכיל חלקיקי אלומיניום, תחמוצות מתכת מעורבות ותרכובות קנייניות. התאמות צבע נעשות באמצעות פיגמנטים וצבעים כדי להשיג את מראה התאמת הצבע הסופי. תוספים ספציפיים המסופקים מסחרית (המשמשים גם לריתוך בלייזר) קיבלו אישור FDA למגע עם מזון ולשימוש באריזות מזון בתנאים A-H של 21 CFR 178.3297 – צבענים לפולימרים. באיחוד האירופי קיימות הצהרות ציות דומות. תנאי האישור ספציפיים לסוג הפולימר, לסף רמת הטעינה ולמגע ישיר או עקיף. הסמכה נוספת של תוספים מאושרי FDA המעורבבים ב"חלק סופי" יכולה להשיג תאימות ביולוגית של מכשירים רפואיים.

טכנולוגיית לייזר סיב יטרביום

שיפורים בטכנולוגיית הלייזר היו מכריעים לפיתוח המהיר של הדור החדש ביותר של תוספי לייזר מאושרי FDA. הופעתם של לייזרי סיב יטרביום בננו-שניות היא אחת מההתקדמויות המשמעותיות ביותר בסימון, בריתוך ובחיתוך. באופן מהותי, לייזרי סיב שונים מלייזרי סימון אחרים מסוג DPSS (מצב מוצק בשאיבת דיודה). בלייזרי סיב המדיום הפעיל היוצר את קרן הלייזר פזור בתוך כבל סיב אופטי ייעודי. בניגוד ללייזרים המוזנים בסיב, כל נתיב הקרן נמצא בתוך כבל סיב אופטי עד לאופטיקת העברת הקרן. מבנה הסיב המלא הזה אחראי במידה רבה לאמינות ולעמידות של לייזרים אלה, שהן הסיבה לצמיחתם המהירה.

לייזרי סיב מניבים איכות קרן (M2) ובהירות מעולות בהשוואה ללייזרי Nd:YAG. לייזר בעל איכות קרן מעולה ניתן למקד לגודל כתם קטן, מה שמוביל לצפיפות אנרגיה גבוהה. לייזרי סיב בפולס קבוע ומשתנה בארכיטקטורת מגבר הספק בעל מתנד ראשי (MOPA) עם אנרגיית פולס של עד 1mJ וצפיפות הספק גבוהה יכולים לסמן פולימרים רבים שהיו קשים לסימון בעבר. גם ללייזרי Vanadate ערך M2 קטן, עם רוחב פולס קצר יותר מלייזרי סיב קבועים ולייזרי YAG. משך הפולס משפיע על מידת החום והפיחום בחומר. פולסים קצרים, בדרך כלל <40ns, מאפשרים הזנת אנרגיה מבוקרת יותר בעיבוד חומרי פולימר רגישים. פולסים אלה שומרים על הספק השיא כדי להתגבר על ספי החומר, אך בעלי אנרגיית פולס נמוכה יותר כדי להפחית נזק תרמי מקומי.

פיתוח היישום ספציפי מאוד, שכן אין פתרון לייזר אוניברסלי. לייזרי MOPA בעלי משך פולס קצר מסוגלים לנצל במלואם את הביצועים של תוספים כימיים רגישים מאושרי FDA. בקרה מרחבית וזמנית מקומית על הזנת החום מהלייזר ועל קצב הזנת החום מאפשרת ביצועים מרביים. בחירת סוג הלייזר לשילוב נקבעת לפי מאפייני היציאה של הלייזר באינטראקציה עם חומר הפולימר המותאם.

מערכות ציוד לייזר

לרכיבי החומרה והתוכנה שיצרן לייזרים משלב במערכותיו יש השפעה משמעותית על ניגודיות הסימון, איכותו ומהירותו. מאפיין עיקרי הוא צפיפות ההספק (W/cm2) על פני הסימון (השונה מהספק היציאה הגולמי של הלייזר). מצב היציאה של קרן הלייזר קריטי לביצועי הסימון. מצבי יציאה אלה קשורים לגורמים כגון התבדרות הקרן והתפלגות ההספק לאורך קוטר קרן הלייזר.

צפיפות ההספק היא פונקציה של גודל כתם הלייזר הממוקד. גודל כתם הלייזר הממוקד, לכל אורך מוקד של עדשה ואורך גל של לייזר, הוא פונקציה של התבדרות קרן הלייזר, הנשלטת בידי תצורת הלייזר, גודל הצמצם הבורר את המצב וההגדלה של המגדיל (מרחיב הקרן, upcollimator). קצב חזרת הפולסים וצפיפות הספק השיא הם פרמטרים קריטיים ביצירת הסימון ובהשגת ניגודיות ומהירות אופטימליות. העקומות האריתמטיות של הספק לעומת קצב חזרת פולסים הן ביחס הפוך. הספק שיא גבוה בתדר נמוך מעלה במהירות את טמפרטורת פני השטח ומאדה את החומר תוך העברת חום מינימלית אל המצע. ככל שקצב חזרת הפולסים עולה, הספק שיא נמוך יותר יוצר אידוי מזערי אך מעביר יותר חום. גורמים נוספים המשפיעים על ניגודיות הסימון ואיכותו הם כמובן מהירות הקרן ומרחק ההפרדה בין קווי הווקטור.

סיכום

מערכות ראיית מכונה מודרניות אינן רק התקני בדיקה עצמאיים. הן משולבות בפעולות ייצור של שש סיגמא, לרבות תוכניות מדדים לבקרת איכות סטטיסטית. מערכות מתקדמות כוללות בינה מלאכותית המרחיבה עוד את תחום הלייזרים וקודי ראיית המכונה. השילוב החזק של סימון בלייזר נחשב לקריטי להצלחה, משום שהוא מספק משוב תהליכי ומניעת שגיאות במוצרים כמעט ללא פגמים.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת הנדסה המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק, כגון סימון בלייזר, טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנה. ניתן ליצור עמו קשר בטלפון 972.820.6777 או באתרים www.sabreen.com ו-www.plasticslasermarking.com.

---