การมาร์กด้วยเลเซอร์และรหัสระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติเพื่อความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์และการตรวจสอบย้อนกลับ

การมาร์กด้วยเลเซอร์และรหัสระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติเพื่อความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์และการตรวจสอบย้อนกลับ

ความต้องการของภาคการผลิตอุตสาหกรรมสำหรับการมาร์กบนชิ้นงานโดยตรงแบบถาวรที่มีรหัสระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติกำลังเพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดด การมาร์กบนชิ้นงานโดยตรงช่วยให้ติดตามผลิตภัณฑ์ได้ตั้งแต่การผลิตจนสิ้นสุดอายุการใช้งาน ความต้องการนี้ขับเคลื่อนโดยข้อกำหนดด้านการตรวจสอบย้อนกลับของชิ้นส่วนและการระบุเอกลักษณ์เฉพาะของผลิตภัณฑ์ (UID) ที่เพิ่มขึ้น หลังเหตุการณ์ 9/11 ผู้ผลิตได้นำกลยุทธ์มาใช้เพื่อสร้างระบบตรวจสอบย้อนกลับและป้องกันการดัดแปลงและการปลอมแปลงผลิตภัณฑ์ กระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ (DoD) กำหนดให้ MIL-STD-130M เป็นแนวปฏิบัติมาตรฐานสำหรับทรัพย์สินทางทหาร นอกเหนือจากข้อกำหนดทางทหารของ DoD แล้ว ผู้ผลิตผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมเชิงพาณิชย์ ตั้งแต่ยานยนต์ บรรจุภัณฑ์ ยา อิเล็กทรอนิกส์ ไปจนถึงสินค้าอุปโภคบริโภค ก็เร่งนำมาตรฐานลักษณะเดียวกันมาใช้อย่างจริงจัง

การมาร์กบนชิ้นงานโดยตรงที่มีข้อมูลระบุเอกลักษณ์เฉพาะต้องอาศัยเทคโนโลยีกระบวนการดิจิทัล เช่น อิงก์เจ็ท ดอทพีน และการมาร์กด้วยเลเซอร์ สำหรับผลิตภัณฑ์พลาสติกสามมิติจำนวนมาก เลเซอร์เป็นวิธีที่นิยมที่สุด เพราะให้รอยมาร์กถาวรที่มีความคมชัดสูง และไม่ต้องเสียค่าหมึกสิ้นเปลืองหรือตัวทำละลายราคาแพง รวมถึงไม่ต้องบ่มหลังการพิมพ์ นอกจากนี้ เลเซอร์ยังมาร์กรหัสระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติขนาดเล็กที่สุดได้ ซึ่งสำคัญต่อการมาร์กขนาดจิ๋ว หรือเมื่อชิ้นส่วนมีพื้นที่ผิวจำกัดสำหรับมาร์กตัวอักษรและตัวเลข โลโก้ หรือแผนภาพ การผลิตระดับซิกส์ซิกมาที่แข็งแกร่งต้องการให้ผลิตภัณฑ์ทั้งหมดอ่านได้ 100 เปอร์เซ็นต์ทั้งด้วยสายตามนุษย์หรือระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติ ไม่ว่ารอยมาร์กจริงจะมีขนาดหรือความซับซ้อนของรายละเอียดเพียงใด

ประเด็นสำคัญ

• การมาร์กบนชิ้นงานโดยตรงช่วยติดตามผลิตภัณฑ์ตั้งแต่การผลิตจนสิ้นสุดอายุการใช้งาน ซึ่งเป็นสิ่งที่การระบุเอกลักษณ์เฉพาะต้องการ
• MIL-STD-130M เป็นมาตรฐานของ DoD และภาคพาณิชย์ตั้งแต่ยานยนต์ถึงบรรจุภัณฑ์ได้นำแนวทางเดียวกันมาใช้ตาม
• Data Matrix มีขนาดเพียง 1/10 ถึง 1/100 ของบาร์โค้ดเมื่อเข้ารหัสข้อมูลปริมาณเท่ากัน
• ออกแบบให้มีความซ้ำซ้อนของข้อมูล โดยข้อมูลกระจายอยู่ทั่วสัญลักษณ์ พร้อมระบบแก้ไขข้อผิดพลาดเพื่อกู้คืนข้อมูลจากความเสียหาย
• รหัสขนาด 1/4 นิ้วมาร์กเสร็จภายในประมาณ 200 มิลลิวินาทีบนชิ้นส่วนเชื้อเพลิงยานยนต์ใต้ฝากระโปรง

คำถามที่พบบ่อย

รหัสระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติคืออะไร

ข้อมูลที่เข้ารหัสไว้ซึ่งตีความได้ด้วยเครื่องสแกนหรือกล้องออปติคอล บาร์โค้ดหนึ่งมิติที่คุ้นเคยแสดงข้อมูลเป็นแถบสีเข้มบนพื้นสีอ่อน ทำให้เกิดการสะท้อนแสงสูงและต่ำที่แปลงเป็นเลขหนึ่งและศูนย์ โดยเก็บข้อมูลไว้ในความกว้างและระยะห่างของเส้นขนาน รูปแบบใหม่ใช้จุด วงกลมซ้อนศูนย์กลาง และข้อความที่ซ่อนอยู่ในภาพ

เหตุใดจึงใช้ Data Matrix แทนบาร์โค้ดบนชิ้นส่วนขนาดเล็ก

เพราะขนาดและความทนทาน เมื่อเข้ารหัสข้อมูลเท่ากัน Data Matrix มีขนาดเพียง 1/10 ถึง 1/100 ของบาร์โค้ด จึงใช้พื้นที่ผิวชิ้นส่วนน้อยมากแต่บรรจุข้อมูลการผลิตได้มาก รหัสแต่ละรหัสมีสีดำและสีขาวอย่างละประมาณครึ่งหนึ่ง จึงมีโอกาส 50/50 ที่เซลล์เสียหายแล้วไม่กระทบการอ่าน และระบบแก้ไขข้อผิดพลาดช่วยกู้คืนข้อมูลจากข้อบกพร่องได้

โดยทั่วไปมาร์กพลาสติกชนิดใดเพื่อการตรวจสอบย้อนกลับ

อะซีทัล ไนลอน พอลิโอเลฟิน พอลิคาร์บอเนต พอลิเอสเทอร์ และสไตรีนิกส์ ซึ่งล้วนเป็นวัสดุเฉื่อยทางเคมีที่ไม่มีขั้วและมีพลังงานพื้นผิวต่ำ นี่คือเหตุผลที่การมาร์กด้วยเลเซอร์เป็นที่นิยมมากกว่ากระบวนการที่ใช้หมึกซึ่งต้องปรับสภาพพื้นผิวและบ่มหลังการพิมพ์

รหัสบนชิ้นส่วนยานยนต์ใต้ฝากระโปรงบรรจุข้อมูลอะไรบ้าง

ข้อมูลการตรวจสอบย้อนกลับของชิ้นส่วนอย่างครบถ้วน ได้แก่ ล็อตเรซิน เครื่องฉีดขึ้นรูป วันที่ กะและเวลา รวมถึงผลการทดสอบการรั่วซึมของชุดประกอบ รหัสขนาด 1/4 นิ้วมาร์กเสร็จในเวลาประมาณ 200 มิลลิวินาที

อะไรที่ผลักดันการเติบโตของการมาร์กบนชิ้นงานโดยตรง

ข้อกำหนดด้านการตรวจสอบย้อนกลับและการระบุเอกลักษณ์เฉพาะ หลังเหตุการณ์ 9/11 ผู้ผลิตได้นำกลยุทธ์มาใช้เพื่อสร้างระบบตรวจสอบย้อนกลับและป้องกันการดัดแปลงและการปลอมแปลง โดย MIL-STD-130M เป็นแนวปฏิบัติมาตรฐานของกระทรวงกลาโหม และผู้ผลิตเชิงพาณิชย์นำมาตรฐานที่เทียบเท่ามาใช้

รหัสระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติคืออะไร

รหัสที่เครื่องอ่านได้ (รหัสภาพ) คือข้อมูลที่เข้ารหัสไว้ ซึ่งตีความได้ด้วยเครื่องสแกนหรือกล้องออปติคอล ตัวอย่างที่คุ้นเคยคือ “บาร์โค้ด” หนึ่งมิติ ซึ่งเป็นการแสดงข้อมูล โดยทั่วไปเป็นสีเข้มบนพื้นสีอ่อน เพื่อให้เกิดการสะท้อนแสงสูงและต่ำที่แปลงเป็น 1 และ 0 รูปแบบบาร์โค้ดที่พบบ่อยที่สุดเก็บข้อมูลไว้ในความกว้างและระยะห่างของเส้นขนานที่พิมพ์ไว้ (แถบสีดำและสีขาว) อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันมีการใช้รูปแบบใหม่ที่เป็นจุด วงกลมซ้อนศูนย์กลาง และรหัสข้อความที่ซ่อนอยู่ในภาพด้วย ในสหรัฐอเมริกา UPC (Universal Product Code) เป็นการใช้บาร์โค้ดที่รู้จักกันดีที่สุดและแพร่หลายที่สุดในสินค้าปลีกและสินค้าอุปโภคบริโภค

แม้รูปแบบบาร์โค้ดสมัยใหม่จะรองรับชุดอักขระ ASCII ได้ แต่ภาคการผลิต อิเล็กทรอนิกส์ อากาศยาน ยานยนต์ และยา เป็นต้น ยังต้องการรหัสระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติที่ก้าวหน้ากว่านี้มาก ความต้องการเข้ารหัสข้อมูลให้มากขึ้นในพื้นที่ที่เล็กลงอย่างต่อเนื่องนำไปสู่การพัฒนารหัส “Data Matrix” สองมิติ รหัส Data Matrix ไม่สามารถอ่านด้วยเลเซอร์ (ที่ใช้กับบาร์โค้ด) ได้ เพราะโดยทั่วไปไม่มีรูปแบบการกวาดที่ครอบคลุมทั้งสัญลักษณ์ จึงต้องสแกนด้วยอุปกรณ์จับภาพแบบกล้อง Data Matrix 2 มิติเป็นรหัสที่เครื่องอ่านได้ซึ่งเป็นนวัตกรรมใหม่ ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อแก้ข้อจำกัดของบาร์โค้ด รูปที่ 1 แสดงความแตกต่างระหว่าง Data Matrix 2 มิติกับบาร์โค้ด

การเปรียบเทียบระหว่างรหัส 2 มิติกับบาร์โค้ด

รหัส Data Matrix 2 มิติเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการมาร์กชิ้นส่วนขนาดเล็ก และออกแบบมาให้ทนต่อสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง ขนาดของรหัส Data Matrix มีเพียง 1/10 ถึง 1/100 ของบาร์โค้ดเมื่อเข้ารหัสข้อมูลเท่ากัน จึงใช้พื้นที่บนชิ้นส่วนน้อยมาก แต่บรรจุข้อมูลการผลิตสำหรับการตรวจสอบย้อนกลับของผลิตภัณฑ์ได้มาก รหัสแต่ละรหัสมีสีดำและสีขาวอย่างละประมาณครึ่งหนึ่ง ทำให้มีโอกาส 50/50 ที่เซลล์เสียหายแล้วไม่กระทบการอ่าน ความซ้ำซ้อนของข้อมูลในระดับสูงของ Data Matrix (ข้อมูลกระจายอยู่ทั่วสัญลักษณ์) และความทนทานต่อข้อบกพร่องจากการพิมพ์ทำให้เชื่อถือได้สูง ระบบแก้ไขข้อผิดพลาดที่ฝังอยู่ในอัลกอริทึมช่วยเพิ่มความสามารถในการกู้คืนข้อมูลจากสัญลักษณ์ที่เสียหาย รูปที่ 2 เปรียบเทียบรหัส Data Matrix กับบาร์โค้ด

การมาร์กด้วยเลเซอร์

ส่วนนี้เน้นการใช้รหัส Data Matrix 2 มิติบนชิ้นส่วนและชุดประกอบพลาสติกสามมิติ (รวมถึงอะซีทัล ไนลอน พอลิโอเลฟิน พอลิคาร์บอเนต พอลิเอสเทอร์ สไตรีนิกส์ เป็นต้น) พลาสติกประเภทนี้เฉื่อยทางเคมี ไม่มีขั้ว และมีพลังงานพื้นผิวต่ำ สำหรับการมาร์กบนชิ้นงานโดยตรง เลเซอร์ Nd:YAG มีข้อได้เปรียบเหนือกระบวนการที่ใช้หมึก เช่น อิงก์เจ็ท ซึ่งต้องปรับสภาพพื้นผิวและบ่มหลังการพิมพ์ เลเซอร์ Nd:YAG แบบบังคับลำแสง (“YAG”) ที่ความยาวคลื่น 1064nm (ช่วงอินฟราเรดใกล้) เป็นที่นิยมในอุตสาหกรรมการมาร์กด้วยเลเซอร์ เนื่องจากความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมา สมรรถนะด้านกำลัง และความหลากหลายในการใช้งาน ส่งผลให้ความเร็วในการมาร์กสูงขึ้น คุณภาพดีขึ้น และผลผลิตมากขึ้น

สำหรับเป็นข้อมูลอ้างอิง เลเซอร์ CO₂ แบบคลื่นต่อเนื่อง (CW) ทำงานที่ความยาวคลื่น 10.6 µm (ช่วงอินฟราเรดไกล) เลเซอร์ CO₂ ให้กำลังสูงสุดต่ำกว่าเลเซอร์ YAG มาก จึงไม่สามารถสร้างรอยมาร์กที่มีความคมชัดสูงบนพลาสติกส่วนใหญ่ได้ ทั้งนี้ เลเซอร์ CO₂ มักใช้มาร์กบาร์โค้ดและรหัสเมทริกซ์บนฉลาก วัสดุกระดาษ และการระเหยหมึกออก

กลไกของการมาร์กด้วยเลเซอร์คือการฉายรังสีพลังงานสูงเฉพาะจุด (เลเซอร์) ไปยังพอลิเมอร์ วัสดุจะดูดซับพลังงานรังสีแล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน พลังงานความร้อนนี้ก่อให้เกิดปฏิกิริยาในวัสดุ เลเซอร์ YAG แบบบังคับลำแสงทุกเครื่องไม่ได้มีคุณภาพเท่ากัน

ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ผู้ผลิตเลเซอร์ใช้ในระบบของตนส่งผลอย่างมากต่อคุณภาพและความเร็วในการมาร์ก คุณสมบัติหลักคือความหนาแน่นกำลัง (วัตต์/ซม.²) ที่พื้นผิวที่มาร์ก (ซึ่งต่างจากกำลังขาออกดิบของเลเซอร์) เครื่องมาร์กเลเซอร์ Nd:YAG แบบบังคับลำแสง (แหล่งกำเนิดแสงแบบหลอดอาร์กและไดโอด) ใช้กระจกที่ติดตั้งบนกัลวาโนมิเตอร์ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงเพื่อนำลำแสงเลเซอร์ไปทั่วพื้นผิวที่จะมาร์ก คล้ายการเขียนด้วยดินสอบนกระดาษ กัลวาโนมิเตอร์แต่ละตัว ตัวหนึ่งบนแกน Y และอีกตัวบนแกน X ทำหน้าที่เคลื่อนลำแสงภายในพื้นที่มาร์ก ชุดเลนส์แบบฟิลด์แบนโฟกัสแสงเลเซอร์เพื่อให้ได้ความหนาแน่นกำลังสูงบนพื้นผิววัสดุรองรับ รูปที่ 3 แสดงระบบส่งลำแสงเชิงแสงที่ใช้กัลวาโนมิเตอร์ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์

โหมดเอาต์พุตของลำแสงเลเซอร์มีความสำคัญต่อสมรรถนะการมาร์ก ผู้ผลิตสามารถจัดหาเลเซอร์แบบหลายโหมด TEM00 (โหมดแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวาง) หรือโหมดใดก็ได้ระหว่างนั้น รวมถึงโหมดอันดับต่ำ โหมดเอาต์พุตเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปัจจัยต่าง ๆ เช่น การลู่ออกของลำแสงและการกระจายกำลังตามเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสง เลเซอร์โหมดอันดับต่ำและโหมด TEM00 เหมาะอย่างยิ่งกับการมาร์กแบบเวกเตอร์ความเร็วสูงสำหรับ Data Matrix และบาร์โค้ด ตัวอักษรและตัวเลขแบบขีดเดียว ฟอนต์ทรูไทป์แบบเติมสี และกราฟิกซับซ้อน เพราะสามารถสร้างจุดโฟกัสขนาดเล็ก ทำให้ได้เส้นที่แคบมากและมีขอบชัดเจน

ความหนาแน่นกำลังเป็นฟังก์ชันของขนาดจุดโฟกัสของเลเซอร์ ขนาดจุดโฟกัสของเลเซอร์สำหรับเลนส์ที่มีความยาวโฟกัสและความยาวคลื่นเลเซอร์ใด ๆ เป็นฟังก์ชันของการลู่ออกของลำแสงเลเซอร์ ซึ่งควบคุมด้วยการกำหนดค่าเลเซอร์ ขนาดช่องรับแสงสำหรับเลือกโหมด และกำลังขยายของอัปคอลลิเมเตอร์ (ตัวขยายลำแสง) อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำ (ผ่าน Q-switch แบบอะคูสโตออปติก) และความหนาแน่นกำลังสูงสุดเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการสร้างรอยมาร์กและให้ได้ความคมชัดและความเร็วที่เหมาะสมที่สุด กำลังสูงสุดที่สูงที่ความถี่ต่ำทำให้อุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ระเหยวัสดุโดยนำความร้อนเข้าสู่วัสดุรองรับน้อยที่สุด เมื่ออัตราการเกิดพัลส์ซ้ำเพิ่มขึ้น กำลังสูงสุดที่ต่ำลงจะทำให้เกิดการระเหยน้อยที่สุดแต่นำความร้อนมากขึ้น ความเร็วของลำแสงก็เป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน

การใช้สารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์จะช่วยเพิ่มและปรับความคมชัดของรหัสระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติให้เหมาะสม และลดรอบเวลาการมาร์ก ปัจจัยเหล่านี้ช่วยประหยัดต้นทุนและเพิ่มผลผลิตในการผลิตในที่สุด โซลูชันด้านวัสดุศาสตร์คุ้มค่า ใช้งานง่าย และไม่ส่งผลเสียต่อสมบัติทางกายภาพและเคมีของผลิตภัณฑ์พอลิเมอร์ หากมีการปรับสูตรอย่างเหมาะสม

การใช้งาน

ตัวอย่างการใช้งานที่ยอดเยี่ยมคือรหัส Data Matrix 2 มิติที่มาร์กด้วยเลเซอร์บนชิ้นส่วนและชุดประกอบเชื้อเพลิงยานยนต์ใต้ฝากระโปรงในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง (โดยทั่วไปเป็นอะซีทัล ไนลอน และพอลิเอสเทอร์) ดังที่แสดงในตัวอย่าง A หน้า 32 รหัสขนาด 1/4 นิ้วมาร์กเสร็จภายในประมาณ 200 มิลลิวินาที ข้อมูลที่อยู่ในรหัสครอบคลุมการตรวจสอบย้อนกลับของชิ้นส่วนอย่างครบถ้วน (ตั้งแต่ล็อตเรซิน เครื่องฉีดขึ้นรูป วันที่-กะ-เวลา ไปจนถึงการทดสอบการรั่วซึมของชุดประกอบ) ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการมาร์กอะซีทัลด้วยเลเซอร์ช่วยขยายขอบเขตของการกำหนดหมายเลขซีเรียลและการตรวจสอบย้อนกลับของผลิตภัณฑ์ต่อไปอีก ตัวอย่าง B: ผู้บริหารด้านยานยนต์รายหนึ่งอธิบายว่า “ชิ้นส่วนเชื้อเพลิงอะซีทัลใต้ฝากระโปรงจำนวนมากที่เราออกแบบมีขนาดกะทัดรัด การมาร์กข้อมูลสำคัญและรหัส Data Matrix ขนาดจิ๋วแบบถาวรใกล้ช่วงท้ายของการประกอบอัตโนมัติ หลังการทดสอบการรั่วซึมในสายการผลิต มีคุณค่ามากในอุตสาหกรรม การระบุเอกลักษณ์เฉพาะของชิ้นส่วนยังช่วยการจัดการสินค้าคงคลังภายในองค์กรสำหรับงานระหว่างผลิต (W.I.P.)”

ระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติสมัยใหม่ไม่ได้เป็นเพียงอุปกรณ์ตรวจสอบแบบแยกเดี่ยว แต่ถูกรวมเข้ากับการดำเนินงานผลิตแบบซิกส์ซิกมาโดยรวม รวมถึงโปรแกรมตัวชี้วัดการควบคุมคุณภาพเชิงสถิติ ระบบขั้นสูงมีปัญญาประดิษฐ์ซึ่งขยายขอบเขตของเลเซอร์และรหัสระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติออกไปอีก การผสมผสานอันทรงพลังของการมาร์กด้วยเลเซอร์ถือว่ามีความสำคัญต่อความสำเร็จ เพราะให้ข้อมูลป้อนกลับของกระบวนการและป้องกันข้อผิดพลาดสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีข้อบกพร่องเกือบเป็นศูนย์

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. บริษัทวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญด้านกระบวนการผลิตพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การมาร์กด้วยเลเซอร์ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติด การตกแต่งและการเก็บงานผิว และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ Sabreen พัฒนาเทคโนโลยีบุกเบิกและแก้ปัญหาการผลิตมากว่า 30 ปี สามารถติดต่อได้ที่ 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com หรือ www.plasticslasermarking.com

---