Znakowanie laserowe i kody wizji maszynowej w zabezpieczaniu produktów i identyfikowalności

Znakowanie laserowe i kody wizji maszynowej w zabezpieczaniu produktów i identyfikowalności

Wymagania przemysłu dotyczące trwałego bezpośredniego znakowania części kodami wizji maszynowej rosną w tempie wykładniczym. Bezpośrednie znakowanie części umożliwia śledzenie produktu od momentu wytworzenia aż do końca jego użytkowania. Popyt ten wynika z rosnących wymagań w zakresie identyfikowalności komponentów oraz unikalnej identyfikacji produktu (UID). Po 11 września producenci wdrażają strategie mające zapewnić identyfikowalność oraz zapobiegać ingerencji w produkty i ich podrabianiu. Departament Obrony USA (DoD) stosuje normę MIL-STD-130M jako obowiązującą praktykę w odniesieniu do mienia wojskowego. Poza wymaganiami wojskowymi DoD podobne standardy intensywnie wdrażają producenci wyrobów przemysłowych i komercyjnych, w tym z branży motoryzacyjnej, opakowaniowej, farmaceutycznej, elektronicznej i dóbr konsumpcyjnych.

Bezpośrednie znakowanie części zawierające unikalne informacje identyfikacyjne wymaga cyfrowych technologii procesowych, takich jak druk atramentowy, znakowanie punktowo-udarowe (dot peen) i znakowanie laserowe. 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 tusz i rozpuszczalniki, ani utwardzania po nadruku. Ponadto lasery pozwalają znakować kody wizji maszynowej o najmniejszych rozmiarach. Ma to znaczenie przy mikroznakowaniu lub gdy powierzchnia części przeznaczona na znaki alfanumeryczne, logo lub schematy jest ograniczona. Niezawodne procesy produkcyjne w standardzie Six Sigma wymagają, aby wszystkie wyroby były w 100 procentach czytelne dla człowieka lub systemu wizji maszynowej, niezależnie od wielkości i złożoności szczegółów samego znaku.

Najważniejsze wnioski

• Bezpośrednie znakowanie części umożliwia śledzenie produktu od wytworzenia do końca użytkowania, czego wymaga unikalna identyfikacja.
• MIL-STD-130M jest normą DoD, a sektory komercyjne, od motoryzacji po opakowania, poszły w jej ślady.
• Kod Data Matrix zajmuje od 1/10 do 1/100 powierzchni kodu kreskowego przy takiej samej ilości zakodowanych danych.
• Redundancja jest wpisana w konstrukcję kodu. Dane są rozproszone w całym symbolu, a korekcja błędów pozwala odzyskać informacje po uszkodzeniu.
• Kod o wielkości ćwierć cala jest znakowany w ok. 200 milisekund na paliwowych komponentach samochodowych montowanych pod maską.

Najczęściej zadawane pytania

Czym jest kod wizji maszynowej?

Jest to zakodowana informacja odczytywana przez skanery optyczne lub kamery. Powszechnie znany jednowymiarowy kod kreskowy przedstawia dane jako ciemny kontrast na jasnym tle, co tworzy wysoką i niską odbijalność zamienianą na jedynki i zera, przy czym dane są zapisane w szerokościach i odstępach równoległych linii. Nowsze wzory wykorzystują punkty, okręgi współśrodkowe oraz tekst ukryty w obrazach.

Dlaczego na małych częściach stosuje się Data Matrix zamiast kodu kreskowego?

Ze względu na rozmiar i odporność. Przy takiej samej ilości zakodowanych danych Data Matrix zajmuje zaledwie od 1/10 do 1/100 rozmiaru kodu kreskowego, dzięki czemu niewielki fragment powierzchni części może zawierać istotne dane produkcyjne. Każdy kod jest w około połowie czarny i w połowie biały, co daje 50-procentową szansę, że uszkodzenie komórki nie wpłynie na czytelność, a korekcja błędów pomaga odzyskać dane po uszkodzeniach.

Które tworzywa sztuczne znakuje się zwykle w celu zapewnienia identyfikowalności?

Acetale, nylony, poliolefiny, poliwęglany, poliestry i styreny — wszystkie to materiały obojętne chemicznie, niepolarne, o niskiej energii powierzchniowej. Właśnie dlatego znakowanie laserowe jest preferowane wobec procesów atramentowych, które wymagają obróbki wstępnej i utwardzania.

Jakie dane zawiera kod na komponentach samochodowych montowanych pod maską?

Pełną identyfikowalność komponentu: partię żywicy, wtryskarkę, datę, zmianę i godzinę oraz wyniki próby szczelności zespołu. Kod o wielkości ćwierć cala jest znakowany w około 200 milisekund.

Co wpłynęło na rozwój bezpośredniego znakowania części?

Wymagania dotyczące identyfikowalności i unikalnej identyfikacji. Po 11 września producenci wdrożyli strategie mające zapewnić identyfikowalność oraz zapobiegać ingerencji w produkty i ich podrabianiu, przy czym MIL-STD-130M stał się obowiązującą praktyką Departamentu Obrony, a producenci komercyjni przyjęli równoważne standardy.

Czym są kody wizji maszynowej?

Kody odczytywane maszynowo (wizyjne) to zakodowane 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). Stosuje się jednak także nowsze wzory z punktów, okręgów współśrodkowych oraz kody tekstowe ukryte w obrazach. W Stanach Zjednoczonych najbardziej znanym i rozpowszechnionym zastosowaniem kodów kreskowych w handlu detalicznym i towarach konsumpcyjnych jest UPC (Universal Product Code).

Choć współczesne schematy kodów kreskowych mogą zawierać zestaw znaków ASCII, w sektorach produkcyjnych, takich jak elektronika, lotnictwo, motoryzacja czy farmacja, potrzebne są znacznie bardziej zaawansowane kody 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. Muszą być skanowane urządzeniem rejestrującym obraz, czyli kamerą. Dwuwymiarowy Data Matrix to rewolucyjny kod odczytywany maszynowo, zaprojektowany specjalnie z myślą o przezwyciężeniu ograniczeń kodów kreskowych. Rysunek 1 przedstawia różnice między kodem 2D Data Matrix a kodem kreskowym.

Porównanie kodu 2D i kodu kreskowego

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 zaledwie 1/10 do 1/100 rozmiaru kodu kreskowego przy takiej samej ilości zakodowanych danych. Do umieszczenia na części znaczących danych produkcyjnych służących identyfikowalności produktu potrzeba zatem bardzo niewiele miejsca. 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. Rysunek 2 porównuje kod Data Matrix z kodem kreskowym.

Znakowanie laserowe

Ten fragment dotyczy zastosowania kodów 2D Data Matrix na trójwymiarowych częściach i zespołach wykonanych z tworzyw sztucznych (w tym acetali, nylonów, poliolefin, poliwęglanów, poliestrów, styrenów itp.). Tworzywa te są obojętne chemicznie, niepolarne i mają niską energię powierzchniową. W bezpośrednim znakowaniu części lasery Nd:YAG mają przewagę nad procesami atramentowymi, takimi jak druk atramentowy, które wymagają obróbki wstępnej powierzchni i utwardzania. Lasery Nd:YAG z wychylaną wiązką („YAG”) o długości fali 1064 nm (bliska podczerwień) są popularne w znakowaniu laserowym ze względu na długość fali emisji, osiągi mocy i wszechstronność. Przekłada się to na większe prędkości znakowania, wyższą jakość i większą wydajność produkcji.

Dla porównania, lasery CO₂ pracy ciągłej (CW) działają na długości fali 10,6 µm (daleka podczerwień). Lasery CO₂ generują znacznie niższą moc szczytową niż lasery YAG, dlatego nie pozwalają uzyskać znaków o wysokim kontraście na większości tworzyw sztucznych. Lasery CO₂ są natomiast powszechnie stosowane do znakowania kodów kreskowych i kodów matrycowych na etykietach, papierze oraz do ablacji tuszu.

Mechanizm znakowania laserowego polega na naświetlaniu polimeru zlokalizowanym źródłem promieniowania o wysokiej energii (laserem). Energia promieniowania jest następnie pochłaniana przez materiał i zamieniana na energię cieplną, która wywołuje w materiale reakcje. Nie wszystkie lasery YAG z wychylaną wiązką są sobie równe.

Komponenty sprzętowe i programowe, które producent lasera stosuje w swoich systemach, mają istotny wpływ na jakość i szybkość znakowania. Podstawowym parametrem jest gęstość mocy (W/cm²) na powierzchni znakowania, która różni się od surowej mocy wyjściowej lasera. Markery laserowe Nd:YAG z wychylaną wiązką (ze źródłem światła w postaci lampy łukowej lub diod) wykorzystują lustra zamontowane na szybkich, sterowanych komputerowo galwanometrach, które kierują wiązkę lasera po znakowanej powierzchni, podobnie jak pisanie ołówkiem na papierze. Każdy galwanometr, jeden na osi Y i jeden na osi X, zapewnia ruch wiązki w polu znakowania. Zespół soczewek płaskiego pola skupia światło lasera, aby uzyskać wysoką gęstość mocy na powierzchni podłoża. Rysunek 3 przedstawia optyczny układ prowadzenia wiązki ze sterowanymi komputerowo galwanometrami.

Tryb wyjściowy wiązki lasera ma decydujące znaczenie dla jakości znakowania. Producenci mogą dostarczać lasery wielomodowe, TEM00 (poprzeczny tryb elektromagnetyczny) lub pracujące w dowolnym stanie pośrednim, w tym w trybie niskiego rzędu. Tryby te wpływają m.in. na rozbieżność wiązki i rozkład mocy w jej przekroju. Lasery pracujące w trybie niskiego rzędu i TEM00 szczególnie dobrze nadają się do szybkiego znakowania wektorowego kodów Data Matrix i kodów kreskowych, jednoliniowych znaków alfanumerycznych, wypełnionych czcionek TrueType oraz złożonej grafiki, ponieważ umożliwiają uzyskanie małej ogniskowanej plamki, a tym samym bardzo wąskiej linii o dobrze zdefiniowanych krawędziach.

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 (za pomocą modulatora dobroci akustooptycznego) oraz szczytowa gęstość mocy to parametry krytyczne dla utworzenia znaku i uzyskania optymalnego kontrastu i szybkości. 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. Krytycznym czynnikiem jest także prędkość wiązki.

Zastosowanie dodatków do znakowania laserowego poprawia i optymalizuje kontrast kodów wizji maszynowej oraz skraca czasy cyklu znakowania. Czynniki te ostatecznie obniżają koszty i zwiększają wydajność produkcji. Rozwiązania z zakresu materiałoznawstwa są opłacalne, łatwe w użyciu i, przy odpowiedniej recepturze, nie wpływają negatywnie na właściwości fizyczne i chemiczne wyrobów z polimerów.

Zastosowania

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 poliestrów). Jak pokazano w przykładzie A na stronie 32, kod o wielkości ¼ cala jest znakowany w ok. 200 milisekund. Dane zawarte w kodzie obejmują pełną identyfikowalność komponentu (od partii żywicy, wtryskarki, daty-zmiany-godziny po próbę szczelności zespołu). Nowe osiągnięcia w dziedzinie znakowania laserowego acetali dodatkowo poszerzają możliwości numeracji seryjnej i identyfikowalności produktów. Przykład B: 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 zautomatyzowanego montażu, po próbie szczelności w linii, ma dla branży dużą wartość. Unikalna identyfikacja części ułatwia też wewnętrzne zarządzanie zapasami produkcji w toku (W.I.P.).”

Nowoczesne systemy wizji maszynowej to nie tylko samodzielne urządzenia kontrolne. Są one zintegrowane z kompleksową 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.

---