Marcatura laser a fibra per la sicurezza, l’identificazione e l’anticontraffazione dei prodotti

Marcatura laser a fibra per la sicurezza, l'identificazione e l'anticontraffazione dei prodotti

La marcatura laser offre vantaggi rispetto all'etichettatura in-mold e alla stampa a base di inchiostro per la marcatura diretta dei componenti nei prodotti in plastica. L'avvento dei laser a fibra all'itterbio conferma ulteriormente il laser come metodo importante per aggiungere misure di sicurezza e di anticontraffazione.

I requisiti dell'industria manifatturiera per la marcatura diretta indelebile dei componenti con codici di visione artificiale crescono rapidamente. Tre tipi di codice familiari sono il QR, il Data Matrix e il codice a barre. La marcatura diretta dei componenti consente di seguire un singolo prodotto univoco dal momento della produzione fino al termine della sua vita utile. La domanda di codici di visione artificiale è alimentata dai requisiti sempre più stringenti di tracciabilità dei componenti e di identificazione univoca del prodotto (UID). Dopo l'11 settembre, i produttori hanno iniziato a implementare strategie per stabilire la tracciabilità e contrastare la manomissione e la contraffazione dei prodotti. Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DoD) ha sviluppato la MIL-STD-130 come pratica standard per i beni militari. Oltre al DoD, i produttori di beni industriali commerciali, tra cui automotive, farmaceutico, elettronica, imballaggio e beni di consumo, stanno adottando con decisione standard analoghi.

Punti chiave

• I codici Data Matrix sono da 1/10 a 1/100 delle dimensioni di un codice a barre con gli stessi dati, un aspetto critico dove la superficie disponibile è scarsa.
• Circa metà di ciascun codice è ridondante per progetto, con il 50% di probabilità che il danneggiamento di una cella non comprometta la leggibilità.
• La MIL-STD-130 ha stabilito lo standard e i settori automotive, farmaceutico, elettronica e imballaggio hanno adottato standard equivalenti.
• Circa il 25% dei codici di visione artificiale viene letto in modo errato a causa della scarsa qualità di risoluzione, un limite dovuto per lo più alla stampa a getto d'inchiostro.
• Un codice 2D da 1/6 di pollice viene marcato in meno di 150 millisecondi su componenti automotive del sistema di alimentazione sotto il cofano.

Domande frequenti

Perché usare la marcatura laser anziché la stampa a getto d'inchiostro per i codici di visione artificiale?

Risoluzione e permanenza. La stampa a getto d'inchiostro non indelebile non riesce a raggiungere la risoluzione fine dei bordi delle linee necessaria alla visione artificiale, in particolare sui componenti piccoli, e secondo gli esperti circa il 25% dei codici di visione artificiale viene letto in modo errato per la scarsa qualità di risoluzione. Inoltre, la maggior parte degli inchiostri non aderisce in modo adeguato alle materie plastiche a bassa energia superficiale, anche con il pretrattamento.

Quale vantaggio ha il Data Matrix rispetto a un codice a barre?

Dimensioni e robustezza. A parità di dati codificati, un Data Matrix è da 1/10 a 1/100 delle dimensioni di un codice a barre. I dati sono distribuiti in tutto il simbolo, quindi il codice è composto per circa metà da celle nere e metà da celle bianche, con probabilità circa pari che il danneggiamento di una cella non comprometta la leggibilità, e la correzione degli errori integrata aiuta a recuperare i danni al simbolo.

I codici Data Matrix possono essere letti con un lettore di codici a barre?

No. In genere non esiste un percorso di scansione in grado di coprire l'intero simbolo, quindi il Data Matrix deve essere acquisito da una telecamera anziché da un lettore laser.

Che cosa ha favorito l'adozione della marcatura diretta dei componenti?

I requisiti di tracciabilità e di identificazione univoca. Dopo l'11 settembre i produttori hanno iniziato a implementare strategie per stabilire la tracciabilità e contrastare manomissione e contraffazione, e il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha sviluppato la MIL-STD-130 come pratica standard per i beni militari. I settori commerciali hanno adottato standard analoghi.

Quali dati può contenere effettivamente un piccolo codice 2D?

Su componenti automotive del sistema di alimentazione sotto il cofano, un codice da 1/6 di pollice marcato in meno di 150 millisecondi contiene la tracciabilità completa del componente: lotto di resina, macchina di stampaggio, data, turno e ora, e risultati della prova di tenuta dell'assemblaggio.

Tecnologie di marcatura/stampa digitali e analogiche

La marcatura diretta dei componenti con informazioni di identificazione univoca richiede tecnologie “digitali” come la marcatura laser, la stampa a getto d'inchiostro e la micropunzonatura (dot peen). Si noti che l'etichettatura in-mold e a trasferimento termico sono processi in due fasi, significativamente più costosi della marcatura laser, e non sono trattati in questo articolo. Per molti prodotti plastici tridimensionali il laser è il metodo preferito, perché il processo produce marcature indelebili ad alto contrasto e non richiede inchiostri/solventi di consumo costosi né post-polimerizzazione. I laser possono marcare con precisione codici di visione artificiale di dimensioni minime. Ciò è importante per la micromarcatura e quando la superficie disponibile su un componente per marcare caratteri alfanumerici, loghi o schemi è limitata. Le solide operazioni Six Sigma richiedono che tutti i prodotti siano leggibili al 100 percento, da un operatore o da un sistema di visione artificiale, indipendentemente dalle dimensioni e dalla complessità della marcatura.

Un eccellente esempio applicativo sono i codici Data Matrix 2D applicati tramite laser a componenti e assiemi del sistema di alimentazione sotto il cofano in ambienti automotive difficili, tipicamente in acetali, nylon e poliesteri (Foto 1). Il codice da 1/6” viene marcato in meno di 150 millisecondi. I dati contenuti nel codice comprendono la tracciabilità completa del componente (dal lotto di resina alla macchina di stampaggio, data-turno-ora e prova di tenuta dell'assemblaggio).

Come spiegato da un dirigente del settore automotive, “Molti dei componenti in acetale del sistema di alimentazione sotto il cofano che progettiamo sono compatti. La micromarcatura indelebile di informazioni critiche e di codici data matrix verso la fine delle operazioni di assemblaggio automatizzato, dopo la prova di tenuta in linea, ha un grande valore nel settore. L'identificazione univoca dei componenti favorisce anche la gestione interna delle scorte per i semilavorati.”

Rispetto alla marcatura laser senza contatto e ai processi a getto d'inchiostro, la tampografia e la serigrafia “analogiche”, a trasferimento di inchiostro, non possono produrre una marcatura indelebile né un'identificazione univoca a livello di singola unità sulla maggior parte delle materie plastiche.

Inoltre, il processo comporta costi variabili ricorrenti elevati per inchiostri, tamponi (pad), cliché (matrici di stampa) e prodotti chimici. Confrontando la marcatura laser con la stampa a getto d'inchiostro, i risparmi su inchiostri e materiali di consumo sono analoghi. La stampa a getto d'inchiostro non indelebile non riesce a raggiungere la risoluzione fine dei bordi delle linee, essenziale per la visione artificiale, in particolare sui componenti piccoli. Secondo gli esperti, il 25% dei codici di visione artificiale viene letto in modo errato per la scarsa qualità di risoluzione. Va tenuto presente che la maggior parte degli inchiostri non aderisce in modo adeguato a molte materie plastiche a bassa energia superficiale, anche con il pretrattamento. Questa condizione si verifica sia nei processi di stampa a inchiostro digitali sia in quelli analogici.

Che cosa sono i codici di visione artificiale? I codici leggibili da macchina (di visione) contengono informazioni che possono essere interpretate tramite scanner ottici o telecamere. Un esempio familiare è il “codice a barre” monodimensionale, una rappresentazione di informazioni, tipicamente con contrasto scuro su sfondo chiaro, per creare una riflettanza alta e bassa che viene convertita in 1 e 0. I formati di codici a barre più comuni memorizzano i dati nelle larghezze e nelle spaziature di linee parallele stampate (strisce bianche e nere).

Sebbene gli schemi di codici a barre moderni possano contenere set di caratteri ASCII, alcune produzioni richiedono codici di visione artificiale molto più avanzati. La spinta continua a codificare più informazioni in spazi più ridotti ha portato allo sviluppo dei codici bidimensionali “Data Matrix”. I codici Data Matrix non possono essere letti da un laser (usato nei codici a barre), perché in genere non esiste un percorso di scansione in grado di coprire l'intero simbolo. I codici Data Matrix devono essere acquisiti da una telecamera. Il Data Matrix 2D è il rivoluzionario codice leggibile da macchina progettato specificamente per superare i limiti dei codici a barre. La Figura 1 mostra le differenze tra i codici 2D (Data Matrix e QR) e il codice a barre.

I codici Data Matrix 2D sono ideali per la marcatura di piccoli componenti e sono progettati per resistere ad ambienti industriali difficili. Le dimensioni dei codici Data Matrix sono da 1/10 a 1/100 di quelle di un codice a barre a parità di dati codificati. Pochissimo spazio su un componente può contenere dati di produzione significativi per la tracciabilità del prodotto. Ogni codice è composto per circa metà da celle nere e metà da celle bianche, con il 50% di probabilità che il danneggiamento di una cella non comprometta la leggibilità. L'elevato grado di ridondanza del Data Matrix (i dati sono distribuiti in tutto il simbolo) e la resistenza ai difetti di stampa lo rendono molto affidabile. Gli schemi di correzione degli errori integrati nell'algoritmo ottimizzano la capacità di recuperare i danni al simbolo. Vedere la Tabella 1.

Additivi laser

Gli additivi laser per il vicino infrarosso migliorano il grado di contrasto, che può essere ulteriormente intensificato modificando i parametri di impostazione del laser. I polimeri possiedono caratteristiche intrinseche che portano a un contrasto di marcatura “di colore scuro” o “di colore chiaro”. Anche alcuni composti coloranti contenenti basse quantità di biossido di titanio (TiO2) e nerofumo possono assorbire la luce laser e, in alcuni casi, migliorare il contrasto della marcatura. Ogni grado di polimero, anche all'interno della stessa famiglia polimerica, può produrre risultati diversi. Le formulazioni di additivi non devono essere tossiche né influire negativamente sull'aspetto o sulle proprietà fisiche o funzionali dei prodotti.

Rispetto ai processi di stampa a inchiostro (tampografia/serigrafia e stampa a getto d'inchiostro), gli additivi laser consentono di risparmiare sui costi e possono mostrare velocità di marcatura superiori del 20 percento e oltre rispetto ai materiali non ottimizzati. Gli additivi laser sono forniti in forma di granulato in pellet e di polvere. I prodotti in granulato possono essere miscelati direttamente con la resina polimerica, mentre le forme in polvere vengono trasformate in masterbatch. La maggior parte si disperde facilmente nei polimeri. In base all'additivo e al polimero, la concentrazione di carica in peso (nel pezzo finale) varia tra 0,01 e 4,0 percento.

Alcuni additivi contengono miscele di ossido di stagno drogato con antimonio e triossido di antimonio, che possono conferire una tonalità “grigiastra” all'opacità naturale (non colorata) del substrato. Altri additivi possono contenere particelle di alluminio, ossidi metallici misti e composti proprietari. Le regolazioni del colore si effettuano con pigmenti e tinture per ottenere l'aspetto finale di abbinamento cromatico. Nella forma in cui sono forniti in commercio, additivi specifici (utilizzati anche per la saldatura laser) hanno ottenuto l'approvazione FDA per il contatto con gli alimenti e per l'uso nel confezionamento alimentare secondo le condizioni A-H della norma 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers. Esistono dichiarazioni di conformità analoghe per l'Unione Europea. Le condizioni di certificazione sono specifiche per tipo di polimero, soglia del livello di carica e contatto diretto o indiretto. Un'ulteriore qualificazione degli additivi approvati dalla FDA miscelati in un “pezzo finale” può consentire di ottenere la biocompatibilità dei dispositivi medici.

Tecnologia dei laser a fibra all'itterbio

I miglioramenti della tecnologia laser sono stati determinanti per il rapido sviluppo dell'ultima generazione di additivi laser approvati dalla FDA. L'avvento dei laser a fibra all'itterbio a nanosecondi è uno dei progressi più significativi per la marcatura, la saldatura e il taglio. In sostanza, i laser a fibra sono diversi dagli altri laser di marcatura a stato solido pompati a diodi (DPSS). Nei laser a fibra, il mezzo attivo che genera il fascio laser è disperso all'interno di uno speciale cavo in fibra ottica. A differenza dei laser con erogazione in fibra, l'intero percorso del fascio si trova all'interno del cavo in fibra ottica fino all'ottica di erogazione del fascio. Questa struttura interamente in fibra è in gran parte responsabile dell'affidabilità e della robustezza di questi laser, che ne spiegano la rapida crescita.

I laser a fibra offrono qualità del fascio (M2) e luminosità superiori rispetto ai laser Nd:YAG. Un laser con qualità del fascio superiore può essere focalizzato su uno spot di piccole dimensioni, con conseguente elevata densità di energia. I laser a fibra MOPA (master oscillator power amplifier) a impulso fisso e variabile, con energia dell'impulso fino a 1mJ ed elevata densità di potenza, possono marcare molti polimeri storicamente difficili. Anche i laser a vanadato hanno un valore di M2 ridotto, con una durata dell'impulso più breve rispetto ai laser a fibra fissi e YAG. La durata dell'impulso influisce sul grado di calore e di carbonizzazione all'interno del materiale. Gli impulsi brevi, tipicamente <40ns, consentono un apporto di energia più controllato nella lavorazione di materiali polimerici sensibili. Questi impulsi mantengono la potenza di picco necessaria a superare le soglie del materiale, ma hanno un'energia dell'impulso inferiore per ridurre il danno termico localizzato.

Lo sviluppo applicativo è altamente specifico, perché non esiste una soluzione laser universale. I laser MOPA a impulso di breve durata sono in grado di sfruttare pienamente le prestazioni degli additivi chimici sensibili approvati dalla FDA. Il controllo spaziale e temporale localizzato dell'apporto di calore del laser e della sua velocità consente di ottenere le massime prestazioni. La scelta del tipo di laser da integrare è determinata dalle caratteristiche di uscita del laser che interagiscono con il materiale polimerico ottimizzato.

Sistemi di apparecchiature laser

I componenti hardware e software che un produttore di laser integra nei propri sistemi fanno una differenza significativa in termini di contrasto, qualità e velocità di marcatura. Un attributo fondamentale è la densità di potenza (W/cm²) sulla superficie da marcare (che è diversa dalla potenza di uscita grezza del laser). La modalità di uscita del fascio laser è determinante per le prestazioni di marcatura. Queste modalità di uscita sono legate a fattori tra cui la divergenza del fascio e la distribuzione di potenza sul diametro del fascio laser.

La densità di potenza dipende dalle dimensioni dello spot laser focalizzato. Le dimensioni dello spot laser focalizzato, per una data lunghezza focale della lente e lunghezza d'onda del laser, dipendono dalla divergenza del fascio laser, controllata dalla configurazione del laser, dalle dimensioni dell'apertura di selezione del modo e dall'ingrandimento dell'upcollimator (espansore di fascio). La frequenza di ripetizione degli impulsi e la densità di potenza di picco sono parametri critici per formare la marcatura e ottenere contrasto e velocità ottimali. Le curve aritmetiche della potenza in funzione della frequenza di ripetizione degli impulsi sono inversamente proporzionali. Una potenza di picco elevata a bassa frequenza aumenta rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e conducendo un calore minimo nel substrato. All'aumentare della frequenza di ripetizione, una potenza di picco inferiore produce una vaporizzazione minima ma conduce più calore. Ulteriori fattori che influenzano il contrasto e la qualità della marcatura sono, naturalmente, la velocità del fascio e la distanza di separazione tra le linee vettoriali.

Conclusione

I moderni sistemi di visione artificiale non sono semplici dispositivi di ispezione autonomi. Sono invece integrati nelle operazioni produttive Six Sigma, compresi i programmi di metriche di controllo statistico della qualità. I sistemi avanzati contengono intelligenza artificiale, che amplia ulteriormente l'ambito di laser e codici di visione artificiale. La potente combinazione con la marcatura laser è considerata determinante per il successo, fornendo feedback di processo e prevenzione degli errori per prodotti con difetti prossimi allo zero.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: marcatura laser, pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sabreen sviluppa tecnologie pionieristiche e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

---