レーザーマーキングとマシンビジョンコードによる製品セキュリティとトレーサビリティ

レーザーマーキングとマシンビジョンコードによる製品セキュリティとトレーサビリティ

消えない部品への直接マーキング（マシンビジョンコードを含む）に対する産業製造業の要求は、急速に拡大しています。部品への直接マーキングにより、製造時点から使用寿命の終わりまで製品を追跡できます。この需要は、部品トレーサビリティおよび製品固有識別（UID）に対する要求の高まりによって牽引されています。9.11同時多発テロ以降、製造業者はトレーサビリティを確立し、製品の不正改ざんや偽造を防ぐための施策を導入しています。米国国防総省（DoD）は、軍用資産に関する標準実施規格として MIL-STD-130M を定めています。DoDの軍事要件にとどまらず、自動車、包装、医薬品、エレクトロニクス、消費財など民生用工業製品のメーカーも、同様の規格を積極的に採用しています。

固有の識別情報を含む部品への直接マーキングには、インクジェット、ドットピーン、レーザーマーキングといったデジタルプロセス技術が必要です。三次元形状の多くのプラスチック製品では、高コントラストで消えないマーキングが得られ、高価な消耗品のインクや溶剤、後硬化が不要であることから、レーザーが好まれる方法です。さらにレーザーは、最小サイズのマシンビジョンコードもマーキングできます。これは、マイクロマーキングや、英数字、ロゴ、回路図などをマーキングできる部品表面の面積が限られている場合に重要です。堅牢なシックスシグマ製造では、マーキングの実際のサイズや細部の複雑さにかかわらず、すべての製品が人間またはマシンビジョンで100パーセント読み取れることが求められます。

重要ポイント

• 部品への直接マーキングは、製造から使用寿命の終わりまで製品を追跡します。これは固有識別が求める要件です。
• MIL-STD-130M はDoDの規格であり、自動車から包装まで民生分野もこれに追随しています。
• Data Matrix は、同じ符号化データ量であればバーコードの1/10～1/100のサイズです。
• 冗長性が設計に組み込まれています。データはシンボル全体に分散され、誤り訂正により損傷から復元できます。
• 1/4インチのコードは、自動車のボンネット内燃料部品に約200ミリ秒でマーキングできます。

よくあるご質問

マシンビジョンコードとは何ですか？

光学スキャナーやカメラで解釈される符号化情報です。おなじみの一次元バーコードは、明るい背景上の暗いコントラストでデータを表し、高低の反射率を生み出して1と0に変換します。データは平行線の幅と間隔に格納されます。新しいパターンでは、ドット、同心円、画像内に隠されたテキストなどが用いられます。

小さな部品にバーコードではなくData Matrixを使うのはなぜですか？

サイズと耐久性のためです。同じ符号化データ量であれば、Data Matrix はバーコードの1/10～1/100のサイズしかないため、ごくわずかな部品表面に多くの製造データを載せられます。各コードはおよそ半分が黒、半分が白であるため、セルが損傷しても読み取りに支障が出ない確率は50/50で、誤り訂正により欠陥からも復元しやすくなります。

トレーサビリティのために通常マーキングされるプラスチックは何ですか？

アセタール、ナイロン、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリエステル、スチレン系樹脂です。いずれも化学的に不活性で無極性、表面エネルギーの低い材料であり、前処理と硬化が必要なインク系プロセスよりレーザーマーキングが好まれる理由もそこにあります。

自動車のボンネット内部品のコードにはどのようなデータが含まれますか？

部品の完全なトレーサビリティ情報として、樹脂ロット、成形機、日付、シフトと時刻、組立時のリークテスト結果が含まれます。1/4インチのコードは約200ミリ秒でマーキングされます。

部品への直接マーキングが拡大した要因は何ですか？

トレーサビリティと固有識別への要求です。9.11以降、製造業者はトレーサビリティを確立し、改ざんや偽造を防ぐ施策を導入しました。MIL-STD-130M はDoDの標準実施規格であり、民生分野のメーカーも同等の規格を採用しています。

マシンビジョンコードとは？

マシンリーダブル（ビジョン）コードとは、光学スキャナーやカメラで解釈できる符号化情報です。身近な例は一次元の「バーコード」で、通常は明るい背景上の暗いコントラストで情報を表し、高低の反射率を生み出して1と0に変換します。最も一般的なバーコードの形式は、印刷された平行線（白黒の縞）の幅と間隔にデータを格納します。ただし、ドット、同心円、画像内に隠されたテキストコードなどの新しいパターンも使われています。米国では、UPC（Universal Product Code）が小売品や消費財で最もよく知られ、広く使われているバーコードです。

現代のバーコード方式はASCII文字セットを含められますが、エレクトロニクス、航空宇宙、自動車、医薬品などの製造分野では、はるかに高度なマシンビジョンコードが必要とされる場面があります。より多くの情報をより小さなスペースに符号化したいという要求が続いた結果、二次元の「Data Matrix」コードが開発されました。Data Matrix コードは、シンボル全体をカバーできる走査パターンが通常ないため、（バーコードで用いられる）レーザーでは読み取れません。カメラなどの撮像装置でスキャンする必要があります。2D Data Matrix は、バーコードの限界を解消するために特別に設計された画期的なマシンリーダブルコードです。図1は、2D Data Matrix とバーコードの違いを示しています。

2Dコードとバーコードの比較

2D Data Matrix コードは小さな部品へのマーキングに最適で、過酷な産業環境でも耐えられるよう設計されています。Data Matrix コードのサイズは、同じ符号化データ量であればバーコードのわずか1/10～1/100です。そのため、製品トレーサビリティのための多くの製造データを、部品上のごくわずかなスペースに載せられます。各コードはおよそ半分が黒、半分が白であり、セルが損傷しても読み取りに支障が出ない確率は50/50です。Data Matrix は冗長性が高く（データがシンボル全体に分散されています）、印刷欠陥にも強いため、信頼性に優れます。アルゴリズムに組み込まれた誤り訂正方式により、シンボルの損傷からの復元能力が最適化されています。図2は、Data Matrix コードとバーコードを比較したものです。

レーザーマーキング

本節では、三次元形状のプラスチック製部品およびアセンブリ（アセタール、ナイロン、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリエステル、スチレン系樹脂など）への2D Data Matrix コードの適用に焦点を当てます。これらのプラスチックは化学的に不活性で無極性、表面エネルギーが低い材料です。部品への直接マーキングにおいて、Nd:YAGレーザーは、表面前処理と硬化が必要なインクジェットなどのインク系プロセスに対して優位性があります。波長1064nm（近赤外域）のビームステアリング式Nd:YAGレーザー（「YAG」）は、その発振波長、出力性能、汎用性から、レーザーマーキング業界で広く使われています。その結果、マーキング速度が向上し、品質が高まり、生産量も増加します。

参考として、連続波（CW）CO₂レーザーは波長10.6 µm（遠赤外域）で動作します。CO₂レーザーはYAGレーザーに比べてピーク出力がはるかに低いため、ほとんどのプラスチックで高コントラストのマーキングを行えません。なお、CO₂レーザーは、ラベル、紙素材へのバーコードやマトリックスコードのマーキング、およびインクのアブレーションに広く使われています。

レーザーマーキングの仕組みは、ポリマーに局所的な高エネルギー放射源（レーザー）を照射することです。放射エネルギーは材料に吸収されて熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーが材料中で反応を引き起こします。ビームステアリング式YAGレーザーは、すべて同じ性能というわけではありません。

レーザーメーカーがシステムに組み込むハードウェアとソフトウェアの構成要素によって、マーキング品質と速度は大きく変わります。主要な特性は、マーキング面での出力密度（W/cm²）です（これはレーザー自体の素の出力とは異なります）。ビームステアリング式Nd:YAGレーザーマーカー（アークランプおよびダイオード光源）は、高速のコンピューター制御ガルバノメーターに取り付けたミラーを使い、鉛筆で紙に書くように、マーキング対象の表面上でレーザービームを走査します。Y軸とX軸にそれぞれ1つずつあるガルバノメーターが、マーキング領域内でビームを動かします。フラットフィールドレンズ系がレーザー光を集光し、基材表面で高い出力密度を実現します。図3は、コンピューター制御ガルバノメーターを用いた光学ビーム伝送システムを示しています。

レーザービームの出力モードは、マーキング性能に大きく影響します。レーザーは、メーカーによってマルチモード、TEM00（横電磁モード）、あるいは低次モードを含むその中間のモードで供給されます。これらの出力モードは、ビームの発散角やレーザービーム径方向の出力分布といった要因に関係します。低次モードおよびTEM00モードのレーザーは、小さな集光スポットにより、エッジが明確な非常に細い線を実現できるため、Data Matrix やバーコード、一筆書きの英数字、塗りつぶしのトゥルータイプフォント、複雑なグラフィックの高速ベクターマーキングに特に適しています。

出力密度は、集光されたレーザースポットのサイズによって決まります。任意の焦点距離のレンズとレーザー波長に対する集光スポットサイズは、レーザービームの発散角の関数であり、これはレーザー構成、モード選択アパーチャのサイズ、アップコリメーター（ビームエキスパンダー）の倍率によって制御されます。（音響光学Qスイッチによる）パルス繰り返し周波数とピーク出力密度は、マークを形成し、最適なコントラストと速度を得るための重要なパラメータです。低周波数での高いピーク出力は表面温度を急速に上昇させ、基材への熱伝導を最小限に抑えながら材料を気化させます。パルス繰り返し周波数が高くなると、ピーク出力が低くなるため気化は最小限になりますが、熱伝導は大きくなります。ビーム速度も重要な要因です。

レーザー添加剤を使用すると、マシンビジョンコードのコントラストが向上して最適化され、マーキングのサイクルタイムが短縮されます。これらの要因は最終的にコストを削減し、生産性を高めます。適切に配合された材料科学ソリューションは、費用対効果に優れ、使いやすく、ポリマー製品の物理的・化学的特性に悪影響を及ぼしません。

用途

優れた応用例が、過酷な環境にある自動車のボンネット内燃料部品およびアセンブリ（通常はアセタール、ナイロン、ポリエステル）にレーザーで施す2D Data Matrix コードです。32ページの例Aに示すように、1/4インチサイズのコードは約200ミリ秒でマーキングされます。コードに含まれるデータは、（樹脂ロット、成形機、日付・シフト・時刻、組立時のリークテストに至る）部品の完全なトレーサビリティです。アセタールへのレーザーマーキングにおける新たな技術進歩により、製品のシリアル化とトレーサビリティの領域はさらに広がっています。例B：ある自動車メーカーの幹部は次のように説明しています。「当社が設計するボンネット内のアセタール製燃料部品の多くはコンパクトです。自動組立工程の終盤、インラインのリークテストの後に、重要な情報やData Matrix コードを消えない形でマイクロマーキングすることは、業界で大きな価値があります。固有の部品識別は、社内の仕掛品（W.I.P.）の在庫管理にも役立ちます。」

現代のマシンビジョンシステムは、単独の検査装置にとどまりません。統計的品質管理の指標プログラムを含むシックスシグマの総合的な製造工程に組み込まれています。高度なシステムには人工知能が搭載され、レーザーとマシンビジョンコードの活用範囲をさらに広げています。レーザーマーキングとの強力な組み合わせは、工程のフィードバックとエラー防止を提供し、不良をほぼゼロに近づける製品づくりの成功に不可欠と見なされています。

Scott R. Sabreen は、プラスチック二次加工（レーザーマーキング、表面前処理、接着、加飾・仕上げ、製品セキュリティ）を専門とするエンジニアリング会社 The Sabreen Group, Inc. の創業者兼社長です。Sabreen は30年以上にわたり、先駆的な技術の開発と製造上の課題の解決に取り組んできました。連絡先は 972.820.6777、または www.sabreen.com もしくは www.plasticslasermarking.com です。

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