סימון בלייזר וקודי ראיית מכונה לאבטחת מוצרים ואיתור עקיבות

סימון בלייזר וקודי ראיית מכונה לאבטחת מוצרים ואיתור עקיבות

דרישות התעשייה לסימון קבוע ישירות על החלק, הכולל קודי ראיית מכונה, גדלות בקצב מעריכי. סימון ישיר על החלק מאפשר לעקוב אחר מוצר מרגע הייצור ועד סוף חייו השימושיים. הביקוש מונע מדרישות הולכות וגוברות לעקיבות רכיבים ולזיהוי ייחודי של מוצרים (UID). לאחר אירועי 11 בספטמבר מיישמים יצרנים אסטרטגיות להבטחת עקיבות ולמניעת שיבוש מוצרים וזיופים. משרד ההגנה של ארצות הברית (DoD) קבע את MIL-STD-130M כנוהג המקובל ברכוש צבאי. מעבר לדרישות הצבאיות של DoD, יצרנים של מוצרי תעשייה מסחריים, מענפי הרכב, האריזה, התרופות, האלקטרוניקה ומוצרי הצריכה, מאמצים תקנים דומים בהתמדה.

סימון ישיר על החלק הנושא מידע זיהוי ייחודי מחייב טכנולוגיית תהליך דיגיטלית כגון הזרקת דיו, סימון בנקודות (dot peen) וסימון בלייזר. עבור מוצרי פלסטיק תלת-ממדיים רבים לייזר הוא השיטה המועדפת, משום שהתהליך מניב סימון קבוע בניגודיות גבוהה ואינו דורש עלויות יקרות של דיו וממסים מתכלים או ריפוי לאחר מכן. בנוסף, לייזרים יכולים לסמן את קודי ראיית המכונה הקטנים ביותר. הדבר חשוב לסימון מיקרו, או כשיש שטח פנים מוגבל בחלק או ברכיב לסימון אלפאנומרי, לוגו או תרשימים סכמטיים. פעילויות ייצור עמידות של שש סיגמא דורשות שכל המוצרים יהיו ברי קריאה ב-100 אחוז, בידי אדם או בראיית מכונה, ללא קשר לגודל הסימון ולמורכבות הפרטים שבו.

עיקרי הדברים

• סימון ישיר על החלק עוקב אחר מוצר מהייצור ועד סוף חייו, וזה מה שזיהוי ייחודי דורש.
• MIL-STD-130M הוא תקן DoD, ותחומים מסחריים, מענף הרכב ועד האריזה, אימצו תקנים דומים.
• Data Matrix קטן פי 10 עד פי 100 מברקוד עבור אותו נפח מידע מקודד.
• יתירות מובנית בתכנון. המידע מפוזר בכל הסמל, עם תיקון שגיאות המאפשר שחזור לאחר נזק.
• קוד בגודל רבע אינץ' מסומן תוך כ-200 אלפיות השנייה על רכיבי דלק לרכב הממוקמים מתחת למכסה המנוע.

שאלות נפוצות

מהו קוד ראיית מכונה?

מידע מקודד שסורקים אופטיים או מצלמות מפענחים. הברקוד החד-ממדי המוכר מייצג נתונים כניגודיות כהה על רקע בהיר, ויוצר החזרה גבוהה ונמוכה המומרת לאחדות ואפסים, כשהנתונים מאוחסנים ברוחבי הקווים המקבילים וברווחים ביניהם. דפוסים חדשים יותר משתמשים בנקודות, במעגלים קונצנטריים ובטקסט המוסתר בתוך תמונות.

מדוע להשתמש ב-Data Matrix ולא בברקוד על חלקים קטנים?

בגלל הגודל והעמידות. עבור אותו נפח מידע מקודד, Data Matrix קטן פי 10 עד פי 100 מברקוד, כך שמעט מאוד שטח פנים של החלק נושא נתוני ייצור משמעותיים. כל קוד הוא בערך חצי שחור וחצי לבן, ולכן יש סיכוי של 50/50 שפגיעה בתא לא תפגע בקריאות, ותיקון השגיאות מסייע בשחזור לאחר פגמים.

אילו סוגי פלסטיק מסומנים בדרך כלל לצורכי עקיבות?

אצטלים, ניילונים, פולי-אולפינים, פוליקרבונטים, פוליאסטרים וסטירניים, כולם חומרים אינרטיים כימית, לא קוטביים, בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה, ולכן דווקא סימון בלייזר עדיף על תהליכים מבוססי דיו הדורשים טיפול מקדים וריפוי.

איזה מידע נושא קוד לרכב המותקן מתחת למכסה המנוע?

עקיבות מלאה של הרכיב: אצוות שרף, מכונת יציקה, תאריך, משמרת ושעה, ותוצאות בדיקת דליפה של ההרכבה. קוד בגודל רבע אינץ' מסומן תוך כ-200 אלפיות השנייה.

מה הניע את הצמיחה בסימון ישיר על החלק?

דרישות עקיבות וזיהוי ייחודי. לאחר אירועי 11 בספטמבר יישמו יצרנים אסטרטגיות להבטחת עקיבות ולמניעת שיבוש וזיופים, כאשר MIL-STD-130M הוא הנוהג המקובל של משרד ההגנה האמריקאי, ויצרנים מסחריים מאמצים תקנים מקבילים.

מהם קודי ראיית מכונה?

קודים קריאי מכונה (ראייה) הם מידע מקודד 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. עם זאת, נעשה שימוש גם בדפוסים חדשים יותר של נקודות, מעגלים קונצנטריים וקודי טקסט המוסתרים בתוך תמונות. בארצות הברית UPC (Universal Product Code) הוא השימוש המוכר והנפוץ ביותר בברקוד במוצרי קמעונאות וצריכה.

אף שסכמות ברקוד מודרניות יכולות להכיל את קבוצת התווים ASCII, בענפי הייצור, האלקטרוניקה, התעופה והחלל, הרכב, התרופות ואחרים נדרשים קודי ראיית מכונה מתקדמים בהרבה. השאיפה המתמשכת לקודד יותר מידע במקום קטן יותר הובילה לפיתוח קודי "Data Matrix" דו-ממדיים. לייזר (בו משתמשים בברקודים) אינו יכול לקרוא קודי Data Matrix, משום שבדרך כלל אין דפוס סריקה שיכסה את הסמל כולו. יש לסרוק אותם באמצעות התקן לכידה מבוסס מצלמה. Data Matrix דו-ממדי הוא הקוד הקריא-מכונה המהפכני שתוכנן במיוחד להתמודד עם מגבלות הברקוד. איור 1 מציג את ההבדלים בין Data Matrix דו-ממדי לברקוד.

השוואה בין קוד דו-ממדי לברקוד

קודי Data Matrix דו-ממדיים אידיאליים לסימון חלקים קטנים ומתוכננים לשרוד בסביבות תעשייה קשות. גודלם של קודי Data Matrix הוא רק 1/10 עד 1/100 מגודל ברקוד עבור אותו נפח מידע מקודד. לפיכך נדרש מעט מאוד שטח בחלק, ובו אפשר 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. איור 2 משווה בין קוד Data Matrix לברקוד.

סימון בלייזר

פרק זה מתמקד בשימוש בקודי Data Matrix דו-ממדיים על חלקים והרכבות תלת-ממדיים מפלסטיק (כולל אצטלים, ניילונים, פולי-אולפינים, פוליקרבונטים, פוליאסטרים, סטירניים ועוד). סוגי פלסטיק אלה אינרטיים כימית, לא קוטביים ובעלי אנרגיית פני שטח נמוכה. לסימון ישיר על החלק ללייזרי Nd:YAG יתרונות על פני תהליכים מבוססי דיו כגון הזרקת דיו, הדורשים טיפול מקדים בפני השטח וריפוי. לייזרי Nd:YAG מוסטי קרן ("YAG") באורך גל 1064nm (טווח אינפרא-אדום קרוב) פופולריים בענף סימון הלייזר בזכות אורך גל הפליטה, ביצועי ההספק והרב-גוניות שלהם. התוצאה היא מהירויות סימון גבוהות יותר, איכות גבוהה יותר ותפוקה גדולה יותר.

לשם השוואה, לייזרי CO₂ בגל רציף (CW) פועלים באורך גל של 10.6 µm (אינפרא-אדום רחוק). לייזרי CO₂ מפיקים הספק שיא נמוך בהרבה יחסית ללייזרי YAG, ולכן אינם יכולים ליצור סימונים בניגודיות גבוהה על רוב סוגי הפלסטיק. יש לציין כי לייזרי CO₂ משמשים בדרך כלל לסימון ברקודים וקודי מטריצה על תוויות, נייר וכן להסרת דיו בעזרת אבלציה.

מנגנון סימון הלייזר הוא הקרנת הפולימר במקור קרינה מקומי בעל אנרגיה גבוהה (לייזר). האנרגיה הקורנת נבלעת בחומר ומומרת לאנרגיה תרמית. האנרגיה התרמית מעוררת תגובות בחומר. לא כל לייזרי ה-YAG מוסטי הקרן שווים.

לרכיבי החומרה והתוכנה שיצרן לייזרים משלב במערכותיו יש השפעה משמעותית על איכות הסימון ומהירותו. מאפיין עיקרי הוא צפיפות ההספק (וואט/סמ"ר) על פני הסימון (השונה מהספק היציאה הגולמי של הלייזר). סמני לייזר Nd:YAG מוסטי קרן (מקורות אור מנורת קשת ודיודה) משתמשים במראות המורכבות על גלוונומטרים מהירים הנשלטים במחשב כדי להכווין את קרן הלייזר על פני המשטח המיועד לסימון, בדומה לכתיבה בעיפרון על נייר. כל גלוונומטר, אחד בציר Y ואחד בציר X, מספק את תנועת הקרן בשדה הסימון. מכלול עדשת שדה שטוח ממקד את אור הלייזר כדי להשיג צפיפות הספק גבוהה על פני המצע. איור 3 מציג מערכת אופטית להעברת הקרן באמצעות גלוונומטרים הנשלטים במחשב.

מצב היציאה של קרן הלייזר קריטי לביצועי הסימון. יצרנים יכולים לספק לייזרים במצב רב-אופנתי (multi-mode), TEM00 (מצב אלקטרומגנטי רוחבי) או כל דבר שביניהם, כולל מצב מסדר נמוך. מצבי יציאה אלה קשורים לגורמים כגון התבדרות הקרן והתפלגות ההספק לאורך קוטר קרן הלייזר. לייזרים במצב מסדר נמוך ו-TEM00 מתאימים במיוחד לסימון וקטורי מהיר של Data Matrix וברקודים, תווים אלפאנומריים במשיכת קו אחת, גופני true-type מלאים וגרפיקה מורכבת, בזכות יכולתם ליצור כתם ממוקד קטן שמניב קו צר מאוד עם קצוות מוגדרים היטב.

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 (באמצעות מתג Q אקוסטו-אופטי) וצפיפות הספק השיא הם פרמטרים קריטיים ביצירת הסימון ובהשגת ניגודיות ומהירות אופטימליות. 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. גם מהירות הקרן היא גורם קריטי.

שימוש בתוספי לייזר משפר ומייעל את ניגודיות קוד ראיית המכונה ומקצר את זמני מחזור הסימון. גורמים אלה חוסכים בסופו של דבר כסף ומגדילים את תפוקת הייצור. פתרונות מדעי החומרים חסכוניים, קלים לשימוש, וכאשר הניסוח מתאים אין להם השפעות מזיקות על התכונות הפיזיקליות והכימיות של מוצרי הפולימר.

יישומים

דוגמה מצוינת ליישום היא קודי Data Matrix דו-ממדיים המוחלים בלייזר על רכיבי והרכבות דלק לרכב מתחת למכסה המנוע, בסביבה קשה (בדרך כלל אצטלים, ניילונים ופוליאסטרים). כפי שמוצג בדוגמה A, בעמוד 32, קוד בגודל רבע אינץ' מסומן תוך כ-200 אלפיות השנייה. המידע הכלול בקוד כולל עקיבות מלאה של רכיב החלק (מאצוות השרף, מכונת היציקה, תאריך-משמרת-שעה ועד בדיקת הדליפה של ההרכבה). התקדמות טכנולוגית חדשה בסימון בלייזר של אצטלים מרחיבה עוד את תחומי הסידור הסדרתי והעקיבות של מוצרים. דוגמה B: 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 (W.I.P.)."

מערכות ראיית מכונה מודרניות אינן רק התקני בדיקה עצמאיים. הן משולבות בפעולות ייצור כוללות 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.

---