Laserbeschriftung und maschinenlesbare Codes für Produktsicherheit und Rückverfolgbarkeit

Laserbeschriftung und maschinenlesbare Codes für Produktsicherheit und Rückverfolgbarkeit

Die Anforderungen der industriellen Fertigung an dauerhafte Direktbeschriftung von Bauteilen mit maschinenlesbaren Codes wachsen exponentiell. Die Direktbeschriftung ermöglicht es, ein Produkt von der Fertigung bis zum Ende seiner Nutzungsdauer zu verfolgen. Getrieben wird dieser Bedarf durch die steigenden Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit von Bauteilen und die eindeutige Produktkennzeichnung (Unique Identification, UID). Seit den Anschlägen vom 11. September setzen Hersteller Strategien um, die Rückverfolgbarkeit herstellen und Produktmanipulation sowie Produktfälschung verhindern sollen. Das US-Verteidigungsministerium (DoD) hat mit MIL-STD-130M die Standardpraxis für militärisches Eigentum festgelegt. Über die militärischen Vorgaben des DoD hinaus übernehmen auch Hersteller kommerzieller Industrieprodukte – von der Automobilindustrie über Verpackung, Pharma und Elektronik bis zu Konsumgütern – vergleichbare Standards mit Nachdruck.

Die Direktbeschriftung mit eindeutigen Kennzeichnungsinformationen erfordert digitale Prozesstechnologien wie Tintenstrahldruck, Nadelprägen und Laserbeschriftung. Bei vielen dreidimensionalen Kunststoffprodukten ist der Laser das bevorzugte Verfahren, weil er kontrastreiche, dauerhafte Beschriftungen erzeugt und weder teure Verbrauchstinten bzw. Lösungsmittel noch eine Nachhärtung erfordert. Außerdem können Laser die kleinsten maschinenlesbaren Codes beschriften. Das ist wichtig für die Mikrobeschriftung oder wenn auf einem Bauteil nur wenig Fläche für Alphanumerik, Logos oder Schaltbilder zur Verfügung steht. Robuste Six-Sigma-Fertigungsprozesse verlangen, dass alle Produkte unabhängig von Größe und Detailkomplexität der eigentlichen Beschriftung zu 100 Prozent visuell oder maschinell lesbar sind.

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Direktbeschriftung verfolgt ein Produkt von der Fertigung bis zum Ende der Nutzungsdauer – genau das verlangt die eindeutige Kennzeichnung.
• MIL-STD-130M ist der Standard des DoD, und kommerzielle Branchen von der Automobilindustrie bis zur Verpackung sind ihm gefolgt.
• Ein Data-Matrix-Code ist bei gleichem Dateninhalt 1/10 bis 1/100 so groß wie ein Barcode.
• Redundanz ist Teil des Designs: Die Daten sind über das gesamte Symbol verteilt, und eine Fehlerkorrektur stellt sie nach Beschädigungen wieder her.
• Ein Code mit einer Kantenlänge von einem Viertelzoll wird bei Kraftstoffkomponenten im Motorraum in etwa 200 Millisekunden beschriftet.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein maschinenlesbarer Code?

Codierte Informationen, die von optischen Scannern oder Kameras interpretiert werden. Der bekannte eindimensionale Barcode stellt Daten als dunklen Kontrast auf hellem Hintergrund dar; die daraus entstehende hohe und niedrige Reflexion wird in Einsen und Nullen umgewandelt, wobei die Daten in den Breiten und Abständen paralleler Linien gespeichert sind. Neuere Muster verwenden Punkte, konzentrische Kreise und in Bildern verborgene Texte.

Warum bei kleinen Bauteilen einen Data-Matrix-Code statt eines Barcodes verwenden?

Wegen Größe und Robustheit. Bei gleichem Dateninhalt ist ein Data-Matrix-Code nur 1/10 bis 1/100 so groß wie ein Barcode, sodass schon eine sehr kleine Bauteilfläche umfangreiche Fertigungsdaten tragen kann. Jeder Code besteht etwa zur Hälfte aus schwarzen und zur Hälfte aus weißen Zellen, sodass mit einer Wahrscheinlichkeit von 50/50 eine Zellbeschädigung die Lesbarkeit nicht beeinträchtigt; zusätzlich hilft die Fehlerkorrektur, Defekte auszugleichen.

Welche Kunststoffe werden üblicherweise für die Rückverfolgbarkeit beschriftet?

Acetale, Nylons, Polyolefine, Polycarbonate, Polyester und Styrol-Kunststoffe – allesamt chemisch inerte, unpolare Werkstoffe mit niedriger Oberflächenenergie. Genau deshalb wird die Laserbeschriftung gegenüber tintenbasierten Verfahren bevorzugt, die eine Vorbehandlung und Aushärtung erfordern.

Welche Daten trägt ein Code im Motorraum eines Fahrzeugs?

Die vollständige Rückverfolgbarkeit des Bauteils: Harzcharge, Spritzgießmaschine, Datum, Schicht und Uhrzeit sowie die Ergebnisse der Dichtheitsprüfung der Baugruppe. Ein Code mit einem Viertelzoll Kantenlänge wird in etwa 200 Millisekunden beschriftet.

Was hat das Wachstum der Direktbeschriftung angetrieben?

Die Anforderungen an Rückverfolgbarkeit und eindeutige Kennzeichnung. Nach dem 11. September setzten Hersteller Strategien um, die Rückverfolgbarkeit herstellen und Manipulation sowie Fälschung verhindern sollen; MIL-STD-130M ist dabei die Standardpraxis des Verteidigungsministeriums, und kommerzielle Hersteller übernehmen gleichwertige Vorgaben.

Was sind maschinenlesbare Codes?

Maschinenlesbare (Vision-)Codes sind codierte Informationen, die mithilfe optischer Scanner oder Kameras interpretiert werden können. Ein bekanntes Beispiel ist der eindimensionale „Barcode“, eine Darstellung von Informationen, in der Regel als dunkler Kontrast auf hellem Hintergrund, die eine hohe und eine niedrige Reflexion erzeugt, welche in Einsen und Nullen umgewandelt wird. Die gängigsten Barcode-Formate speichern Daten in den Breiten und Abständen aufgedruckter paralleler Linien (schwarze und weiße Streifen). Daneben kommen aber auch neuere Muster aus Punkten, konzentrischen Kreisen und in Bildern verborgene Textcodes zum Einsatz. In den Vereinigten Staaten ist der UPC (Universal Product Code) die bekannteste und am weitesten verbreitete Anwendung von Barcodes im Einzelhandel und bei Konsumgütern.

Moderne Barcode-Systeme können zwar den ASCII-Zeichensatz enthalten, doch in Fertigungsbranchen wie Elektronik, Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Pharma besteht Bedarf an deutlich leistungsfähigeren maschinenlesbaren Codes. Das anhaltende Bestreben, mehr Informationen auf kleinerem Raum zu codieren, hat zur Entwicklung zweidimensionaler „Data-Matrix“-Codes geführt. Data-Matrix-Codes können nicht von einem Laser (wie bei Barcodes) gelesen werden, da es in der Regel kein Abtastmuster gibt, das das gesamte Symbol erfassen könnte. Sie müssen mit einer Kamera erfasst werden. Der 2D-Data-Matrix-Code ist der bahnbrechende maschinenlesbare Code, der speziell entwickelt wurde, um die Grenzen von Barcodes zu überwinden. Abbildung 1 zeigt die Unterschiede zwischen 2D-Data-Matrix und Barcode.

Vergleich zwischen 2D-Code und Barcode

2D-Data-Matrix-Codes eignen sich ideal für die Beschriftung kleiner Bauteile und sind darauf ausgelegt, raue Industrieumgebungen zu überstehen. Bei gleichem Dateninhalt beträgt die Größe eines Data-Matrix-Codes nur 1/10 bis 1/100 eines Barcodes. Somit wird nur sehr wenig Platz auf einem Bauteil benötigt, das dennoch umfangreiche Fertigungsdaten für die Rückverfolgbarkeit des Produkts enthalten kann. Jeder Code besteht etwa zur Hälfte aus schwarzen und zur Hälfte aus weißen Zellen, sodass mit einer Wahrscheinlichkeit von 50/50 eine Zellbeschädigung die Lesbarkeit nicht beeinträchtigt. Die hohe Redundanz des Data-Matrix-Codes (die Daten sind über das gesamte Symbol verteilt) und seine Unempfindlichkeit gegenüber Druckfehlern machen ihn äußerst zuverlässig. In den Algorithmus integrierte Fehlerkorrekturverfahren optimieren die Fähigkeit, Symbolschäden auszugleichen. Abbildung 2 vergleicht Data-Matrix-Code und Barcode.

Laserbeschriftung

Dieser Abschnitt befasst sich mit dem Einsatz von 2D-Data-Matrix-Codes auf dreidimensionalen Bauteilen und Baugruppen aus Kunststoff (darunter Acetale, Nylons, Polyolefine, Polycarbonate, Polyester, Styrol-Kunststoffe usw.). Diese Kunststoffe sind chemisch inert und unpolar mit niedriger Oberflächenenergie. Für die Direktbeschriftung von Bauteilen bieten Nd:YAG-Laser Vorteile gegenüber tintenbasierten Verfahren wie dem Tintenstrahldruck, die eine Oberflächenvorbehandlung und Aushärtung erfordern. Strahlgelenkte Nd:YAG-Laser („YAG“) mit einer Wellenlänge von 1064 nm (nahes Infrarot) sind in der Laserbeschriftung wegen ihrer Emissionswellenlänge, Leistung und Vielseitigkeit weit verbreitet. Das führt zu höheren Beschriftungsgeschwindigkeiten, besserer Qualität und höherem Durchsatz.

Zum Vergleich: Kontinuierlich (CW) betriebene CO₂-Laser arbeiten mit einer Wellenlänge von 10,6 µm (fernes Infrarot). CO₂-Laser erzeugen vergleichsweise deutlich geringere Spitzenleistungen als YAG-Laser und können daher auf den meisten Kunststoffen keine kontrastreichen Beschriftungen erzeugen. Beachten Sie, dass CO₂-Laser üblicherweise zum Beschriften von Barcodes und Matrixcodes auf Etiketten, Papier und für die Tintenablation eingesetzt werden.

Das Prinzip der Laserbeschriftung besteht darin, das Polymer mit einer lokal begrenzten, hochenergetischen Strahlungsquelle (Laser) zu bestrahlen. Die Strahlungsenergie wird vom Material absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie löst im Material Reaktionen aus. Nicht alle strahlgelenkten YAG-Laser sind gleich.

Die Hardware- und Softwarekomponenten, die ein Laserhersteller in seine Systeme integriert, haben erheblichen Einfluss auf Beschriftungsqualität und -geschwindigkeit. Ein zentrales Merkmal ist die Leistungsdichte (Watt/cm²) an der Beschriftungsfläche (die sich von der reinen Ausgangsleistung des Lasers unterscheidet). Strahlgelenkte Nd:YAG-Laserbeschrifter (mit Bogenlampen- und Diodenlichtquellen) nutzen Spiegel auf schnellen, computergesteuerten Galvanometern, um den Laserstrahl über die zu beschriftende Fläche zu führen – ähnlich wie beim Schreiben mit Stift und Papier. Jeweils ein Galvanometer für die Y-Achse und eines für die X-Achse sorgt für die Strahlbewegung innerhalb des Beschriftungsfelds. Eine Planfeldlinse bündelt das Laserlicht, um auf der Substratoberfläche eine hohe Leistungsdichte zu erreichen. Abbildung 3 zeigt das optische Strahlführungssystem mit computergesteuerten Galvanometern.

Der Ausgangsmodus des Laserstrahls ist entscheidend für die Beschriftungsleistung. Hersteller liefern Laser als Multimode-, TEM00- (transversale elektromagnetische Grundmode) oder als Zwischenform einschließlich Moden niedriger Ordnung. Diese Ausgangsmoden beeinflussen unter anderem die Strahldivergenz und die Leistungsverteilung über den Durchmesser des Laserstrahls. Laser mit Moden niedriger Ordnung und TEM00-Laser eignen sich besonders gut für die schnelle Vektorbeschriftung von Data-Matrix-Codes und Barcodes, Einstrich-Alphanumerik, gefüllten TrueType-Schriften und komplexen Grafiken, weil sie einen kleinen fokussierten Spot und damit eine sehr schmale Linie mit klar definierten Kanten erzeugen.

Die Leistungsdichte hängt von der Größe des fokussierten Laserspots ab. Die Größe des fokussierten Laserspots ist bei gegebener Brennweite der Linse und gegebener Laserwellenlänge eine Funktion der Strahldivergenz, die durch die Laserkonfiguration, die Größe der modenselektierenden Blende und die Vergrößerung des Strahlaufweiters (Upcollimator) gesteuert wird. Die Pulswiederholrate (über einen akustooptischen Güteschalter) und die Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Ausbildung der Beschriftung sowie für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Eine hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur schnell und verdampft das Material, während nur minimal Wärme in das Substrat geleitet wird. Mit steigender Pulswiederholrate erzeugt eine geringere Spitzenleistung nur minimale Verdampfung, leitet aber mehr Wärme ein. Auch die Strahlgeschwindigkeit ist ein entscheidender Faktor.

Der Einsatz von Laseradditiven verbessert und optimiert den Kontrast maschinenlesbarer Codes und verkürzt die Beschriftungszykluszeiten. Diese Faktoren sparen letztlich Kosten und steigern die Fertigungsleistung. Materialwissenschaftliche Lösungen sind kosteneffizient, einfach anzuwenden und beeinträchtigen bei richtiger Formulierung die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Polymerprodukte nicht.

Anwendungen

Ein hervorragendes Anwendungsbeispiel sind 2D-Data-Matrix-Codes, die per Laser auf Kraftstoffkomponenten und Baugruppen im Motorraum von Fahrzeugen (typischerweise aus Acetalen, Nylons und Polyestern) unter rauen Umgebungsbedingungen aufgebracht werden. Wie in Beispiel A auf Seite 32 gezeigt, wird der Code mit einer Kantenlänge von einem Viertelzoll in etwa 200 Millisekunden beschriftet. Die im Code enthaltenen Daten umfassen die vollständige Rückverfolgbarkeit des Bauteils (von der Harzcharge über die Spritzgießmaschine, Datum, Schicht und Uhrzeit bis zur Dichtheitsprüfung der Baugruppe). Neue technologische Fortschritte bei der Laserbeschriftung von Acetalen erweitern die Möglichkeiten der Produktserialisierung und Rückverfolgbarkeit zusätzlich. Beispiel B: Ein Manager aus der Automobilindustrie erklärt: „Viele der Acetal-Kraftstoffkomponenten im Motorraum, die wir konstruieren, sind kompakt. Die dauerhafte Mikrobeschriftung kritischer Informationen und Data-Matrix-Codes gegen Ende der automatisierten Montage, nach der Inline-Dichtheitsprüfung, ist für die Branche von großem Wert. Die eindeutige Bauteilidentifikation unterstützt zudem die interne Bestandsführung für Halbfertigerzeugnisse (Work in Process, W.I.P.).“

Moderne Systeme der industriellen Bildverarbeitung sind nicht nur eigenständige Prüfgeräte. Vielmehr sind sie in Six-Sigma-Gesamtfertigungsabläufe einschließlich Programmen zur statistischen Qualitätskontrolle integriert. Fortschrittliche Systeme enthalten künstliche Intelligenz, die die Möglichkeiten von Lasern und maschinenlesbaren Codes weiter ausbaut. Die leistungsstarke Kombination aus Laserbeschriftung gilt als entscheidend für den Erfolg, da sie Prozessrückmeldungen und Fehlervermeidung für Produkte mit nahezu null Fehlern ermöglicht.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurunternehmen, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Laserbeschriftung, Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung sowie Produktsicherheit. Sabreen entwickelt seit über 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen ihn unter 972.820.6777 oder über www.sabreen.com bzw. www.plasticslasermarking.com.

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