الوسم بالليزر ورموز الرؤية الآلية لأمن المنتج وإمكانية التتبع

الوسم بالليزر ورموز الرؤية الآلية لأمن المنتج وإمكانية التتبع

تتزايد بوتيرة متسارعة متطلبات التصنيع الصناعي للوسم المباشر الدائم للقطع الذي يتضمن رموز الرؤية الآلية. فالوسم المباشر للقطع يتيح تتبع المنتج منذ لحظة تصنيعه حتى نهاية عمره الافتراضي. ويأتي هذا الطلب 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. وتعتمد وزارة الدفاع الأمريكية (DoD) المعيار MIL-STD-130M بوصفه الممارسة القياسية للممتلكات العسكرية. وإلى جانب متطلبات وزارة الدفاع، تتبنى الشركات المصنعة للمنتجات الصناعية التجارية، من قطاعات السيارات والتغليف والأدوية والإلكترونيات والسلع الاستهلاكية، معايير مماثلة بحماس.

يتطلب الوسم المباشر للقطع الذي يحمل معلومات تعريف فريدة تقنيات عملية رقمية مثل الطباعة النفاثة للحبر والنقر بالنقاط (dot peen) والوسم بالليزر. وبالنسبة إلى كثير من المنتجات البلاستيكية ثلاثية الأبعاد، يُفضَّل الليزر لأن العملية تنتج علامات دائمة عالية التباين ولا تتطلب تكاليف باهظة للأحبار والمذيبات المستهلكة ولا معالجة لاحقة بالتصلب. كما يستطيع الليزر وسم أصغر رموز الرؤية الآلية حجمًا، وهذا مهم في الوسم الدقيق أو عندما تكون مساحة السطح المتاحة على القطعة أو المكوّن محدودة لوسم الأحرف والأرقام والشعارات أو المخططات. وتتطلب عمليات التصنيع الصارمة وفق معيار ستة سيجما أن تكون جميع المنتجات قابلة للقراءة بنسبة 100 بالمئة، بشريًا أو بالرؤية الآلية، بصرف النظر عن حجم الوسم الفعلي وتعقيد تفاصيله.

أبرز النقاط

• يتتبع الوسم المباشر للقطع المنتج من التصنيع حتى نهاية العمر الافتراضي، وهذا ما يتطلبه التعريف الفريد.
• المعيار MIL-STD-130M هو معيار وزارة الدفاع الأمريكية، وقد اتبعته القطاعات التجارية من السيارات إلى التغليف.
• يبلغ حجم رمز Data Matrix من 1/10 إلى 1/100 من حجم الباركود لقدر متساوٍ من البيانات المشفّرة.
• الاحتياطية مدمجة في التصميم. فالبيانات موزعة في أنحاء الرمز، مع تصحيح للأخطاء لاستعادتها عند التلف.
• يُوسم رمز بحجم ربع بوصة في نحو 200 ميلي ثانية على مكونات الوقود في السيارات تحت غطاء المحرك.

الأسئلة الشائعة

ما هو رمز الرؤية الآلية؟

هو معلومات مشفّرة تفسرها الماسحات الضوئية أو الكاميرات. فالباركود التقليدي أحادي البعد يمثل البيانات بتباين داكن على خلفية فاتحة، مما يخلق انعكاسًا عاليًا ومنخفضًا يُحوَّل إلى أصفار وآحاد، وتُخزَّن البيانات في عروض الخطوط المتوازية والمسافات بينها. وتستخدم الأنماط الأحدث النقاط والدوائر متحدة المركز ونصوصًا مخفية داخل الصور.

لماذا نستخدم Data Matrix بدلًا من الباركود على القطع الصغيرة؟

بسبب الحجم والمتانة. فلقدر متساوٍ من البيانات المشفّرة، لا يتجاوز حجم Data Matrix من 1/10 إلى 1/100 من حجم الباركود، ولذلك تحمل مساحة صغيرة جدًا من سطح القطعة بيانات تصنيع مهمة. ويتكون كل رمز من نحو نصف أسود ونصف أبيض، مما يمنح فرصة بنسبة 50/50 ألا يضر تلف الخلايا بإمكانية القراءة، كما يساعد تصحيح الأخطاء على استعادة البيانات عند وجود عيوب.

ما أنواع البلاستيك التي توسم عادة لأغراض التتبع؟

الأسيتال والنايلون والبولي أوليفينات والبولي كربونات والبوليستر والستايرينات، وجميعها مواد خاملة كيميائيًا وغير قطبية ذات طاقة سطح منخفضة، وهذا تحديدًا سبب تفضيل الوسم بالليزر على العمليات القائمة على الحبر التي تتطلب معالجة أولية وتصلبًا.

ما البيانات التي يحملها الرمز في مكونات السيارات تحت غطاء المحرك؟

إمكانية تتبع كاملة للمكوّن: دفعة الراتنج وآلة القولبة والتاريخ والوردية والوقت ونتائج اختبار التسرب للتجميع. ويُوسم رمز بحجم ربع بوصة في نحو 200 ميلي ثانية.

ما الذي دفع إلى نمو الوسم المباشر للقطع؟

متطلبات إمكانية التتبع والتعريف الفريد. فبعد أحداث 11 سبتمبر طبّقت الشركات المصنعة استراتيجيات لإرساء إمكانية التتبع ومنع العبث والتزييف، وأصبح MIL-STD-130M الممارسة القياسية لوزارة الدفاع الأمريكية، وتبنّت الشركات التجارية معايير مماثلة.

ما هي رموز الرؤية الآلية؟

رموز الرؤية (المقروءة آليًا) هي معلومات مشفّرة 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. غير أن هناك أنماطًا أحدث من النقاط والدوائر متحدة المركز ورموز نصية مخفية داخل الصور. وفي الولايات المتحدة، يُعد رمز المنتج العالمي (UPC) أشهر استخدامات الباركود وأوسعها انتشارًا في منتجات التجزئة والمنتجات الاستهلاكية.

ورغم أن مخططات الباركود الحديثة قادرة على احتواء مجموعة أحرف ASCII، فإن قطاعات التصنيع، من الإلكترونيات والطيران والسيارات والأدوية وغيرها، تحتاج إلى رموز رؤية آلية أكثر تقدمًا بكثير. وقد أدى السعي المستمر إلى ترميز مزيد من المعلومات في مساحة 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، بل يجب مسحها بجهاز التقاط بالكاميرا. ويُعد Data Matrix ثنائي الأبعاد رمزًا ثوريًا مقروءًا آليًا صُمم خصيصًا لمعالجة قيود الباركود. ويوضح الشكل 1 الفروق بين Data Matrix ثنائي الأبعاد والباركود.

مقارنة بين الرمز ثنائي الأبعاد والباركود

رموز Data Matrix ثنائية الأبعاد مثالية لوسم القطع الصغيرة، وهي مصممة لتحمّل البيئات الصناعية القاسية. ولا يتجاوز حجم رموز Data Matrix من 1/10 إلى 1/100 من حجم الباركود لقدر متساوٍ من البيانات المشفّرة. ولذلك يلزم حيّز صغير جدًا على القطعة يمكن 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. ويقارن الشكل 2 بين رمز Data Matrix والباركود.

الوسم بالليزر

يركز هذا القسم على استخدام رموز Data Matrix ثنائية الأبعاد على القطع والتجميعات البلاستيكية ثلاثية الأبعاد (بما فيها الأسيتال والنايلون والبولي أوليفينات والبولي كربونات والبوليستر والستايرينات وغيرها). وهذه الأنواع من البلاستيك خاملة كيميائيًا وغير قطبية ذات طاقة سطح منخفضة. وفي الوسم المباشر للقطع، يوفر ليزر Nd:YAG مزايا على العمليات القائمة على الحبر مثل الطباعة النفاثة للحبر التي تتطلب معالجة أولية للسطح وتصلبًا. ويحظى ليزر Nd:YAG الموجَّه بالحزمة («YAG») بطول موجي 1064nm (الطيف تحت الأحمر القريب) بشعبية في صناعة الوسم بالليزر بسبب طول موجة انبعاثه وأدائه في القدرة وتنوع استخداماته. وينتج عن ذلك سرعات وسم أعلى وجودة أفضل وإنتاج أكبر.

وللمقارنة، يعمل ليزر CO₂ ذو الموجة المستمرة (CW) بطول موجي 10.6 µm (الطيف تحت الأحمر البعيد). ويولّد ليزر CO₂ قدرة ذروية أقل بكثير نسبيًا من ليزر YAG، ولذلك لا يستطيع إنتاج علامات عالية التباين على معظم أنواع البلاستيك. ويُلاحظ أن ليزر CO₂ يُستخدم عادةً لوسم الباركود ورموز المصفوفة على الملصقات وورق التغليف وفي إزالة الحبر بالاستئصال.

تقوم آلية الوسم بالليزر على تشعيع البوليمر بمصدر إشعاع موضعي عالي الطاقة (الليزر). وتمتص المادة الطاقة المشعّة وتحوّلها إلى طاقة حرارية، وتحفّز الطاقة الحرارية حدوث تفاعلات في المادة. وليست جميع أنواع ليزر YAG الموجَّه بالحزمة متساوية.

إن مكونات العتاد والبرمجيات التي تدمجها الشركة المصنعة للليزر في أنظمتها تحدث فرقًا كبيرًا في جودة الوسم وسرعته. وأهم خاصية هي كثافة القدرة (واط/سم²) عند سطح الوسم، وهي تختلف عن قدرة الخرج الخام لليزر. وتستخدم أجهزة الوسم بليزر Nd:YAG الموجَّه بالحزمة (بمصادر ضوء المصباح القوسي والصمام الثنائي) مرايا مثبتة على مقاييس جلفانومترية عالية السرعة يتحكم بها الحاسوب لتوجيه شعاع الليزر عبر السطح المراد وسمه، على غرار الكتابة بالقلم على الورق. ويوفر كل مقياس جلفانومتري، أحدهما على المحور Y والآخر على المحور X، حركة الشعاع داخل مجال الوسم. ويركّز مجمّع عدسة المجال المسطح ضوء الليزر للحصول على كثافة قدرة عالية على سطح الركيزة. ويبيّن الشكل 3 نظام توصيل الشعاع البصري باستخدام مقاييس جلفانومترية يتحكم بها الحاسوب.

يُعد نمط خرج شعاع الليزر عاملًا حاسمًا في أداء الوسم. إذ يمكن للشركات المصنعة توريد الليزر متعدد الأنماط أو بنمط TEM00 (النمط الكهرومغناطيسي المستعرض) أو أي نمط بينهما، بما في ذلك الأنماط منخفضة الرتبة. وترتبط أنماط الخرج هذه بعوامل منها تباعد الشعاع وتوزيع القدرة عبر قطر شعاع الليزر. وتناسب الليزرات منخفضة الرتبة وذات نمط TEM00 بوجه خاص الوسم المتجهي عالي السرعة لرموز Data Matrix والباركود والأحرف والأرقام ذات الخط الواحد وخطوط TrueType المعبأة والرسومات المعقدة، لقدرتها على تكوين بقعة مركّزة صغيرة تنتج خطًا رفيعًا جدًا ذا حواف محددة بوضوح.

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 (عبر مفتاح Q الصوتي البصري) وكثافة القدرة الذروية من المعاملات الحاسمة في تكوين الوسم وتحقيق التباين والسرعة المثلى. فالقدرة الذروية العالية عند تردد منخفض ترفع درجة حرارة السطح بسرعة فتبخّر المادة مع نقل حرارة ضئيلة إلى الركيزة. ومع زيادة معدل تكرار النبضات، تنتج قدرة ذروية أقل تبخيرًا محدودًا لكنها تنقل مزيدًا من الحرارة. كما تُعد سرعة الشعاع عاملًا حاسمًا.

يعزز استخدام إضافات الوسم بالليزر تباين رموز الرؤية الآلية ويحسّنه ويقلل أزمنة دورة الوسم. وتوفر هذه العوامل في النهاية المال وتزيد الإنتاج التصنيعي. وحلول علم المواد فعّالة من حيث التكلفة وسهلة الاستخدام ولا تترك آثارًا ضارة على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمنتجات البوليمرية متى اعتُمدت التركيبة الملائمة.

التطبيقات

من الأمثلة التطبيقية الممتازة رموز Data Matrix ثنائية الأبعاد التي تُطبَّق بالليزر على مكونات وتجميعات الوقود في السيارات تحت غطاء المحرك في البيئات القاسية (عادةً من الأسيتال والنايلون والبوليستر). وكما يظهر في المثال A، الصفحة 32، يُوسم الرمز بحجم ربع بوصة في نحو 200 ميلي ثانية. وتشمل البيانات المضمّنة في الرمز إمكانية تتبع كاملة للقطعة (من دفعة الراتنج وآلة القولبة والتاريخ والوردية والوقت إلى اختبار التسرب للتجميع). وتوسّع التطورات التقنية الجديدة في الوسم بالليزر للأسيتال آفاق ترقيم المنتجات تسلسليًا وإمكانية تتبعها. المثال B: 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 (W.I.P.).»

أنظمة الرؤية الآلية الحديثة ليست مجرد أجهزة فحص مستقلة، بل هي مدمجة في عمليات التصنيع المتكاملة 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.

---