Znakowanie laserem światłowodowym w zabezpieczaniu produktów, identyfikacji i zabezpieczeniu przed podrabianiem

Znakowanie laserem światłowodowym w zabezpieczaniu produktów, identyfikacji i zabezpieczeniu przed podrabianiem

Znakowanie laserowe ma przewagę nad etykietowaniem w formie (in-mold) i drukiem z użyciem tuszów w zakresie bezpośredniego znakowania części z tworzyw sztucznych. Pojawienie się laserów światłowodowych na iterbie dodatkowo wyróżnia lasery jako ważną metodę wprowadzania zabezpieczeń i środków przeciwko podrabianiu.

Wymagania przemysłu dotyczące trwałego bezpośredniego znakowania części kodami wizji maszynowej szybko rosną. Trzy znane typy kodów to QR, Data Matrix i kod kreskowy. Bezpośrednie znakowanie części pozwala śledzić pojedynczy, unikalny produkt od momentu wytworzenia do końca jego użytkowania. Popyt na kody wizji maszynowej wynika z rosnących wymagań w zakresie identyfikowalności komponentów oraz unikalnej identyfikacji produktu (UID). Po 11 września producenci zaczęli wdrażać strategie mające zapewnić identyfikowalność oraz zapobiegać ingerencji w produkty i ich podrabianiu. Departament Obrony USA (DoD) opracował MIL-STD-130 jako obowiązującą praktykę w odniesieniu do mienia wojskowego. Poza DoD podobne standardy intensywnie wdrażają producenci wyrobów przemysłowych i komercyjnych, w tym z branży motoryzacyjnej, farmaceutycznej, elektronicznej, opakowaniowej i dóbr konsumpcyjnych.

Najważniejsze wnioski

• Kody Data Matrix zajmują od 1/10 do 1/100 powierzchni kodu kreskowego z tymi samymi danymi — ma to kluczowe znaczenie tam, gdzie brakuje miejsca na powierzchni.
• Mniej więcej połowa każdego kodu jest redundantna z założenia, co daje 50-procentową szansę, że uszkodzenie komórki nie wpłynie na czytelność.
• MIL-STD-130 wyznaczył standard, a motoryzacja, farmacja, elektronika i opakowania przyjęły jego odpowiedniki.
• Około 25% kodów wizji maszynowej jest błędnie odczytywanych z powodu słabej rozdzielczości — głównie jest to ograniczenie druku atramentowego.
• Kod 2D o wielkości 1/6 cala jest znakowany w czasie krótszym niż 150 milisekund na paliwowych komponentach samochodowych montowanych pod maską.

Najczęściej zadawane pytania

Dlaczego do kodów wizji maszynowej stosuje się znakowanie laserowe zamiast druku atramentowego?

Ze względu na rozdzielczość i trwałość. Nietrwały druk atramentowy nie zapewnia drobnej rozdzielczości krawędzi linii, jakiej wymaga wizja maszynowa, zwłaszcza na małych częściach, a specjaliści szacują, że około 25% kodów wizji maszynowej jest błędnie odczytywanych z powodu słabej rozdzielczości. Większość tuszów nie przylega też dostatecznie do tworzyw o niskiej energii powierzchniowej nawet po obróbce wstępnej.

Jaką przewagę ma Data Matrix nad kodem kreskowym?

Rozmiar i odporność. Przy takiej samej ilości zakodowanych danych Data Matrix zajmuje od 1/10 do 1/100 rozmiaru kodu kreskowego. Dane są rozproszone w całym symbolu, więc kod jest w około połowie czarny i w połowie biały, co daje mniej więcej równe szanse, że uszkodzenie komórki nie wpłynie na czytelność, a wbudowana korekcja błędów pomaga odzyskać dane po uszkodzeniu symbolu.

Czy kody Data Matrix można odczytać czytnikiem kodów kreskowych?

Nie. Zazwyczaj nie istnieje wzór skanowania obejmujący cały symbol, dlatego Data Matrix musi być skanowany urządzeniem rejestrującym obraz (kamerą), a nie skanerem laserowym.

Co wpłynęło na upowszechnienie bezpośredniego znakowania części?

Wymagania dotyczące identyfikowalności i unikalnej identyfikacji. Po 11 września producenci zaczęli wdrażać strategie mające zapewnić identyfikowalność oraz zapobiegać ingerencji w produkty i ich podrabianiu, a Departament Obrony USA opracował MIL-STD-130 jako obowiązującą praktykę w odniesieniu do mienia wojskowego. Sektory komercyjne przyjęły podobne standardy.

Ile danych może pomieścić mały kod 2D?

Na paliwowych komponentach samochodowych montowanych pod maską kod o wielkości 1/6 cala, znakowany w czasie krótszym niż 150 milisekund, zawiera pełną identyfikowalność komponentu — partię żywicy, wtryskarkę, datę, zmianę i godzinę oraz wyniki próby szczelności zespołu.

Technologie znakowania i druku cyfrowe a analogowe

Bezpośrednie znakowanie części zawierające unikalne informacje identyfikacyjne wymaga technologii „cyfrowych”, takich jak znakowanie laserowe, druk atramentowy i znakowanie punktowo-udarowe (dot peen). Etykietowanie w formie (in-mold) i transferowe na gorąco to procesy dwuetapowe, znacznie droższe niż znakowanie laserowe, i nie są omawiane w tym artykule. W przypadku wielu trójwymiarowych wyrobów z tworzyw sztucznych preferowaną metodą jest laser, ponieważ proces zapewnia trwałe znaki o wysokim kontraście i nie wymaga kosztownych materiałów eksploatacyjnych, takich jak tusze i rozpuszczalniki, ani utwardzania po nadruku. Lasery pozwalają dokładnie znakować kody wizji maszynowej o najmniejszych rozmiarach. Ma to znaczenie przy mikroznakowaniu oraz gdy powierzchnia części lub komponentu przeznaczona na znaki alfanumeryczne, logo lub schematy jest ograniczona. Niezawodne procesy w standardzie Six Sigma wymagają, aby wszystkie wyroby były w 100 procentach czytelne dla człowieka lub systemu wizji maszynowej, niezależnie od wielkości i złożoności samego znaku.

Doskonałym przykładem zastosowania są kody 2D Data Matrix nanoszone laserem na paliwowe komponenty i zespoły samochodowe pracujące pod maską w trudnych warunkach, zazwyczaj z acetali, nylonów i polimerów poliestrowych (zdjęcie 1). Kod o wielkości 1/6 cala jest znakowany w czasie krótszym niż 150 milisekund. Dane zawarte w kodzie obejmują pełną identyfikowalność komponentu (od partii żywicy, wtryskarki, daty-zmiany-godziny po próbę szczelności zespołu).

Jak wyjaśnił jeden z dyrektorów w branży motoryzacyjnej: „Wiele projektowanych przez nas acetalowych komponentów paliwowych montowanych pod maską ma zwarte wymiary. Trwałe mikroznakowanie kluczowych informacji i kodów Data Matrix pod koniec zautomatyzowanych operacji montażu, po próbie szczelności w linii, ma dla branży dużą wartość. Unikalna identyfikacja części ułatwia też wewnętrzne zarządzanie zapasami produkcji w toku.”

W porównaniu z bezkontaktowym znakowaniem laserowym i procesami druku atramentowego „analogowy” tampodruk z przenoszeniem tuszu i sitodruk nie zapewniają trwałego znakowania ani unikalnej identyfikacji na poziomie pojedynczej sztuki na większości tworzyw sztucznych.

Z procesem tym wiążą się ponadto wysokie, powtarzające się koszty zmienne tuszów, tamponów, klisz (płyt drukowych) i chemikaliów. Porównując znakowanie laserowe z drukiem atramentowym, oszczędności na tuszu i materiałach eksploatacyjnych są podobne. Nietrwały druk atramentowy nie zapewnia drobnej rozdzielczości krawędzi linii, która jest niezbędna w wizji maszynowej, zwłaszcza na małych częściach. Specjaliści szacują, że 25% kodów wizji maszynowej jest błędnie odczytywanych z powodu słabej rozdzielczości. Należy pamiętać, że większość tuszów nie przylega dostatecznie do wielu tworzyw o niskiej energii powierzchniowej, nawet po obróbce wstępnej. Dotyczy to zarówno cyfrowych, jak i analogowych procesów druku.

Czym są kody wizji maszynowej? Kody odczytywane maszynowo (wizyjne) zawierają informacje, które można zinterpretować za pomocą skanerów optycznych lub kamer. Znanym przykładem jest jednowymiarowy „kod kreskowy”, czyli reprezentacja informacji, zazwyczaj w postaci ciemnego kontrastu na jasnym tle, tworząca wysoką i niską odbijalność zamienianą na jedynki i zera. Najpopularniejsze formaty kodów kreskowych zapisują dane w szerokościach i odstępach nadrukowanych równoległych linii (czarno-białych pasków).

Choć współczesne schematy kodów kreskowych mogą zawierać zestawy znaków ASCII, część produkcji wymaga znacznie bardziej zaawansowanych kodów wizji maszynowej. Dążenie do kodowania coraz większej ilości informacji na mniejszej powierzchni doprowadziło do opracowania dwuwymiarowych kodów „Data Matrix”. Kodów Data Matrix nie można odczytać laserem (stosowanym w przypadku kodów kreskowych), ponieważ zazwyczaj nie istnieje wzór skanowania obejmujący cały symbol. Kody Data Matrix muszą być skanowane urządzeniem rejestrującym obraz (kamerą). Dwuwymiarowy Data Matrix to rewolucyjny kod odczytywany maszynowo, zaprojektowany specjalnie z myślą o przezwyciężeniu ograniczeń kodów kreskowych. Rysunek 1 przedstawia różnice między kodami 2D (Data Matrix i QR) a kodem kreskowym.

Kody 2D Data Matrix idealnie nadają się do znakowania małych części i są projektowane tak, aby wytrzymywać trudne warunki przemysłowe. Rozmiar kodów Data Matrix wynosi od 1/10 do 1/100 rozmiaru kodu kreskowego przy takiej samej ilości zakodowanych danych. Bardzo niewiele miejsca na części może zawierać znaczące dane produkcyjne służące identyfikowalności produktu. Każdy kod jest w około połowie czarny i w połowie biały, co daje 50-procentową szansę, że uszkodzenie komórki nie wpłynie na czytelność. Wysoki stopień redundancji Data Matrix (dane są rozproszone w całym symbolu) oraz odporność na wady nadruku sprawiają, że kod jest bardzo niezawodny. Wbudowane w algorytm schematy korekcji błędów optymalizują możliwość odzyskania danych po uszkodzeniu symbolu. Zob. tabela 1.

Dodatki laserowe

Dodatki laserowe do bliskiej podczerwieni poprawiają stopień kontrastu, który można dodatkowo wzmocnić, zmieniając parametry ustawień lasera. Polimery mają naturalną skłonność do uzyskiwania kontrastu znaku „ciemnego” lub „jasnego”. Niektóre związki barwiące zawierające niewielkie ilości dwutlenku tytanu (TiO2) i sadzy mogą również absorbować światło lasera i w niektórych przypadkach poprawiać kontrast znakowania. Każdy gatunek polimeru, nawet w obrębie tej samej rodziny, może dawać inne wyniki. Receptury dodatków nie mogą być toksyczne ani negatywnie wpływać na wygląd, właściwości fizyczne lub funkcjonalne wyrobów.

W porównaniu z procesami druku atramentowego (tampodruk, sitodruk i druk atramentowy) dodatki laserowe pozwalają obniżyć koszty i mogą zapewnić o 20 procent większą prędkość znakowania w porównaniu z materiałami niezoptymalizowanymi. Dodatki laserowe są dostarczane w postaci granulatu i proszku. Produkty granulowane można mieszać bezpośrednio z żywicą polimerową, natomiast proszki przetwarza się na masterbatch. Większość z nich łatwo dyspergować w polimerach. W zależności od dodatku i polimeru stężenie wagowe (w gotowym wyrobie) mieści się w zakresie od 0,01 do 4,0 procent.

Niektóre dodatki zawierają mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem i trójtlenku antymonu, które mogą nadawać „szarawy” odcień nieprzezroczystości naturalnego (niebarwionego) podłoża. Inne dodatki mogą zawierać cząstki aluminium, mieszane tlenki metali i związki opatentowane. Korekty koloru przeprowadza się za pomocą pigmentów i barwników rozpuszczalnych w celu uzyskania końcowego dopasowania koloru. W formie dostarczanej komercyjnie określone dodatki (stosowane także w spawaniu laserowym) uzyskały zgodę FDA na kontakt z żywnością i zastosowanie w opakowaniach do żywności na warunkach A–H zgodnie z 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers. W Unii Europejskiej obowiązują podobne oświadczenia o zgodności. Warunki certyfikacji zależą od rodzaju polimeru, progowego poziomu dozowania oraz kontaktu bezpośredniego lub pośredniego. Dalsza kwalifikacja dodatków zatwierdzonych przez FDA, wprowadzonych do „gotowego wyrobu”, może zapewnić biokompatybilność wyrobów medycznych.

Technologia laserów światłowodowych na iterbie

Postępy w technologii laserowej miały kluczowe znaczenie dla szybkiego rozwoju najnowszej generacji dodatków laserowych zatwierdzonych przez FDA. Pojawienie się nanosekundowych laserów światłowodowych na iterbie to jedno z najważniejszych osiągnięć w dziedzinie znakowania, spawania i cięcia. Lasery światłowodowe zasadniczo różnią się od innych laserów znakujących na ciele stałym pompowanych diodowo (DPSS). W laserach światłowodowych ośrodek czynny generujący wiązkę jest rozproszony w specjalnym kablu światłowodowym. W przeciwieństwie do laserów z dostarczaniem wiązki światłowodem cała droga wiązki biegnie wewnątrz kabla światłowodowego aż do optyki wyjściowej. Ta całkowicie światłowodowa struktura w dużej mierze odpowiada za niezawodność i odporność tych laserów, co tłumaczy ich szybki wzrost popularności.

Lasery światłowodowe zapewniają lepszą jakość wiązki (M2) i jasność niż lasery Nd:YAG. Laser o doskonałej jakości wiązki można skupić w małą plamkę, co prowadzi do dużej gęstości energii. Lasery światłowodowe MOPA (wzmacniacz mocy z oscylatorem głównym) o stałym i zmiennym impulsie, z energią impulsu do 1 mJ i wysoką gęstością mocy, mogą znakować wiele polimerów historycznie trudnych. Lasery wanadanowe również cechują się małą wartością M2 i krótszym impulsem niż lasery światłowodowe o stałym impulsie i lasery YAG. Czas trwania impulsu wpływa na stopień nagrzania i karbonizacji w głąb materiału. Krótkie impulsy, zazwyczaj <40 ns, umożliwiają bardziej kontrolowane wprowadzanie energii podczas obróbki wrażliwych materiałów polimerowych. Impulsy te zachowują moc szczytową potrzebną do przekroczenia progów materiałowych, lecz mają niższą energię impulsu, co ogranicza lokalne uszkodzenia termiczne.

Opracowanie zastosowania jest silnie zależne od przypadku, ponieważ nie istnieje uniwersalne rozwiązanie laserowe. Lasery MOPA o krótkim czasie trwania impulsu pozwalają w pełni wykorzystać działanie czułych dodatków chemicznych zatwierdzonych przez FDA. Lokalna, przestrzenna i czasowa kontrola dopływu ciepła z lasera oraz szybkości jego dostarczania zapewnia maksymalną wydajność. O wyborze typu lasera do zintegrowania decydują parametry wyjściowe lasera oddziałujące ze zoptymalizowanym materiałem polimerowym.

Systemy urządzeń laserowych

Komponenty sprzętowe i programowe stosowane przez producenta lasera w jego systemach mają istotny wpływ na kontrast, jakość i szybkość znakowania. Podstawowym parametrem jest gęstość mocy (W/cm²) na powierzchni znakowania, która różni się od surowej mocy wyjściowej lasera. Tryb wyjściowy wiązki lasera ma decydujące znaczenie dla jakości znakowania. Tryby te wpływają m.in. na rozbieżność wiązki i rozkład mocy w jej przekroju.

Gęstość mocy zależy od wielkości ogniskowanej plamki lasera. Wielkość ogniskowanej plamki dla danej ogniskowej soczewki i długości fali lasera zależy od rozbieżności wiązki, którą kontrolują konfiguracja lasera, rozmiar przysłony wybierającej tryb oraz powiększenie kolimatora (poszerzacza wiązki). Częstotliwość powtarzania impulsów i szczytowa gęstość mocy to parametry krytyczne dla utworzenia znaku i uzyskania optymalnego kontrastu i szybkości. Arytmetyczne krzywe mocy w funkcji częstotliwości powtarzania impulsów są odwrotnie proporcjonalne. Wysoka moc szczytowa przy niskiej częstotliwości szybko podnosi temperaturę powierzchni, odparowując materiał przy minimalnym przewodzeniu ciepła w głąb podłoża. Wraz ze wzrostem częstotliwości impulsów niższa moc szczytowa powoduje minimalne odparowanie, ale przewodzi więcej ciepła. Dodatkowymi czynnikami wpływającymi na kontrast i jakość znaku są oczywiście prędkość wiązki oraz odległość między liniami wektorowymi.

Podsumowanie

Nowoczesne systemy wizji maszynowej to nie tylko samodzielne urządzenia kontrolne. Są one zintegrowane z produkcją w standardzie Six Sigma, w tym z programami statystycznej kontroli jakości. Zaawansowane systemy wykorzystują sztuczną inteligencję, co dodatkowo poszerza możliwości laserów i kodów wizji maszynowej. Połączenie znakowania laserowego z tymi rozwiązaniami uznaje się za kluczowe dla sukcesu, ponieważ zapewnia informację zwrotną o procesie i zapobiega błędom, co pozwala wytwarzać produkty z niemal zerową liczbą wad.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc., firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych: znakowaniu laserowym, obróbce wstępnej powierzchni, łączeniu, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. Sabreen opracowuje pionierskie technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne od ponad 30 lat. Można się z nim skontaktować pod numerem 972.820.6777 lub odwiedzając stronę www.sabreen.com albo www.plasticslasermarking.com

---