光纖雷射打標：產品安全、識別與防偽

光纖雷射打標：產品安全、識別與防偽

在塑膠產品的零件直接打標上，雷射打標較模內貼標與油墨列印更具優勢。鐿光纖雷射的出現，進一步使雷射成為增添安全與防偽措施的重要方法。

工業製造對不可磨滅的零件直接打標（含機器視覺碼）的需求正快速成長。三種常見的代碼類型為 QR、Data Matrix 與條碼。零件直接打標可追蹤單一獨特產品從製造完成起至使用壽命終點的全程。機器視覺碼的需求，源自零組件可追溯性與產品唯一識別（UID）要求的日益提高。911 事件後，製造商開始實施相關策略，以建立可追溯性並防止產品遭竄改與仿冒。美國國防部（DoD）制定了 MIL-STD-130，作為軍用財產的標準作法。除國防部外，包括汽車、製藥、電子、包裝與消費性產品在內的商用工業製造商，也正積極採用類似標準。

重點摘要

• 在編碼資料量相同的情況下，Data Matrix 碼的尺寸僅為條碼的 1/10 至 1/100——在表面積有限之處至關重要。
• 每個代碼約有一半為設計上的冗餘，使單元損傷不影響可讀性的機率達 50/50。
• MIL-STD-130 樹立了標準，汽車、製藥、電子與包裝產業也已採用對應的標準。
• 約 25% 的機器視覺碼因解析度品質不佳而被誤讀——主要是噴墨的限制。
• 在引擎蓋下的汽車燃油零組件上，1/6 英吋的 2D 碼在 150 毫秒內即可打標完成。

常見問題

機器視覺碼為何用雷射打標而非噴墨？

因為解析度與持久性。非永久性的噴墨無法達到機器視覺所需的細線邊緣解析度，尤其是在小型零件上，專家認為約 25% 的機器視覺碼因解析度品質不佳而被誤讀。此外，即使經過前處理，大多數油墨也無法充分附著於低表面能塑膠。

Data Matrix 相較於條碼有何優勢？

尺寸小且耐用。在編碼資料量相同時，Data Matrix 僅為條碼的 1/10 至 1/100 大小。資料分散於整個符號，因此代碼約一半為黑、一半為白，使單元損傷不影響可讀性的機率大致相當，且內建的錯誤校正功能有助於從符號損傷中復原。

Data Matrix 碼能用條碼掃描器讀取嗎？

不能。通常沒有任何掃描路徑能涵蓋整個符號，因此 Data Matrix 必須以攝影機擷取裝置掃描，而非雷射掃描器。

是什麼推動了零件直接打標的普及？

可追溯性與唯一識別的要求。911 事件後，製造商開始實施相關策略以建立可追溯性並防止竄改與仿冒，美國國防部並制定了 MIL-STD-130 作為軍用財產的標準作法。商用產業也採用了類似標準。

一個小型 2D 碼究竟能容納哪些資料？

在引擎蓋下的汽車燃油零組件上，1/6 英吋的代碼在 150 毫秒內即可打標完成，並承載完整的零組件可追溯資訊——樹脂批次、成型機台、日期、班次與時間，以及組裝洩漏測試結果。

數位與類比打標／列印技術

含唯一識別資訊的零件直接打標，需仰賴雷射打標、噴墨與點陣衝擊打標等「數位」技術。請注意，模內貼標與熱轉印貼標是兩步驟製程，成本遠高於雷射打標，本文不予討論。對許多立體塑膠產品而言，雷射是首選方式，因為此製程可產生高對比且不可磨滅的標記，無須昂貴的耗材墨水／溶劑或後固化。雷射能精確打出尺寸最小的機器視覺碼，這對微型打標，以及零件或元件上可供標示英數字、標誌或示意圖的表面積有限時尤為重要。穩健的六標準差作業要求所有產品皆須 100% 可由人眼或機器視覺讀取，無論實際標記的尺寸與複雜度為何。

一個絕佳的應用實例，是以雷射將 2D Data Matrix 碼打標於嚴苛環境下的引擎蓋下汽車燃油零組件與組件，通常為縮醛樹脂、尼龍與聚酯聚合物（照片 1）。1/6 英吋大小的代碼在不到 150 毫秒內即可打標完成。代碼中的資料包含零組件的完整可追溯資訊（自樹脂批次、成型機台、日期－班次－時間，到組裝洩漏測試）。

一位汽車業主管指出：「我們設計的許多引擎蓋下縮醛樹脂燃油零組件都很小巧。在自動化組裝作業接近尾聲、線上洩漏測試之後，對關鍵資訊與 Data Matrix 碼進行不可磨滅的微型打標，在業界具有極大價值。唯一的零件識別也有助於在製品的內部庫存管理。」

與非接觸式雷射打標及噴墨製程相比，「類比」油墨轉印的移印與網版印刷，在大多數塑膠上無法產生不可磨滅的標記，也無法做到單件層級的唯一識別。

此外，該製程還涉及油墨、墨頭（移印膠頭）、鋼版（印版）與化學品等昂貴且持續發生的變動成本。比較雷射打標與噴墨，油墨與耗材的成本節省相近。非永久性的噴墨無法達到細線邊緣解析度，而這對機器視覺至關重要，尤其是在小型零件上。專家認為，25% 的機器視覺碼因解析度品質不佳而被誤讀。請記住，即使經過前處理，大多數油墨仍無法充分附著於許多低表面能塑膠，數位與類比油墨列印製程皆然。

什麼是機器視覺碼？機器可讀（視覺）碼含有可透過光學掃描器或攝影機解讀的資訊。常見的例子是一維「條碼」，其以資訊表示法呈現，通常為淺色背景上的深色對比，形成高低反射率並轉換為 1 與 0。最常見的條碼格式將資料儲存於印刷平行線（黑白條紋）的寬度與間距中。

雖然現代條碼方案可容納 ASCII 字元集，但部分製造作業需要更先進的機器視覺碼。在更小空間內編入更多資訊的持續需求，促成了二維「Data Matrix」碼的發展。Data Matrix 碼無法以雷射讀取（條碼所用的方式），因為通常沒有任何掃描路徑能涵蓋整個符號，必須以攝影機擷取裝置掃描。2D Data Matrix 是專為解決條碼限制而設計的革命性機器可讀碼。圖 1 展示了 2D 碼（Data Matrix 與 QR）與條碼之間的差異。

2D Data Matrix 碼非常適合小型零件打標，且設計上可耐受嚴苛的工業環境。在編碼資料量相同時，Data Matrix 碼的尺寸僅為條碼的 1/10 至 1/100。零件上只需極小空間，即可容納大量供產品追溯的製造資料。每個代碼約一半為黑、一半為白，使單元損傷不影響可讀性的機率達 50/50。Data Matrix 的高度冗餘性（資料分散於整個符號）以及對列印缺陷的抵抗力，使其極為可靠。演算法內建的錯誤校正機制，可最佳化從符號損傷中復原的能力。請見表 1。

雷射添加劑

近紅外雷射添加劑可提升對比度，並可透過改變雷射設定參數進一步強化。聚合物本身具有產生「深色」或「淺色」打標對比的固有特性。部分含少量二氧化鈦（TiO2）與碳黑的著色化合物，也可能吸收雷射光，在某些情況下還能改善打標對比度。即使同屬一個聚合物系列，每種聚合物牌號也可能產生不同結果。添加劑配方不得具毒性，也不得對產品的外觀、物理或功能特性造成不良影響。

與油墨列印製程（移印／網版印刷及噴墨）相比，雷射添加劑更能節省成本，且相較於未經最佳化的材料，打標速度可提升 20% 以上。雷射添加劑以顆粒與粉末形式供應。顆粒產品可直接與聚合物樹脂混合，粉末則須製成色母粒。大多數添加劑都容易分散於聚合物中。依添加劑與聚合物而定，（最終零件中的）重量添加濃度介於 0.01% 至 4.0% 之間。

部分添加劑含有摻銻氧化錫與三氧化二銻的混合物，可能使天然（未著色）基材的不透明度帶有「灰色」色調。其他添加劑則可能含有鋁粒子、混合金屬氧化物與專有化合物。可使用顏料與染料進行顏色調整，以達到最終的配色外觀。市售的特定添加劑（亦用於雷射焊接）已依 21 CFR 178.3297——聚合物用著色劑的 A-H 條件，取得 FDA 對食品接觸與食品包裝用途的核可。歐盟也有類似的合規聲明。認證條件依聚合物類型、添加濃度閾值，以及直接或間接接觸而定。將經 FDA 核可的添加劑混入「最終零件」後再進一步驗證，可使醫療器材達到生物相容性。

鐿光纖雷射技術

雷射技術的改進對新一代 FDA 核可雷射添加劑的快速發展至關重要。奈秒鐿光纖雷射的出現，是打標、焊接與切割領域最重大的進展之一。從根本上說，光纖雷射不同於其他二極體泵浦固態（DPSS）打標雷射。光纖雷射產生雷射光束的增益介質分散於特殊的光纖光纜之中。與光纖傳輸式雷射不同，整條光束路徑一直都在光纖光纜內，直到光束傳輸光學元件為止。這種全光纖結構是這類雷射可靠性與堅固耐用的主要原因，也造就了其快速成長。

與 Nd:YAG 雷射相比，光纖雷射能產生卓越的光束品質（M2）與亮度。光束品質優異的雷射可聚焦至小光點尺寸，進而產生高能量密度。脈衝能量高達 1mJ 且功率密度高的固定與可變脈衝主振盪器功率放大器（MOPA）光纖雷射，可為許多歷來難以打標的聚合物打標。釩酸鹽雷射同樣具有小 M2 值，且脈衝寬度比固定式光纖與 YAG 雷射更短。脈衝持續時間會影響熱量與碳化深入材料的程度。短脈衝（通常 <40ns）在處理敏感的聚合物材料時，可實現更受控的能量輸入。這些脈衝保有足以克服材料閾值的峰值功率，但脈衝能量較低，可減少局部熱損傷。

應用開發高度取決於具體情況，並不存在通用的雷射解決方案。短脈衝寬度的 MOPA 雷射能充分發揮敏感的 FDA 核可化學添加劑的性能。對雷射熱輸入及其輸入速率進行局部的空間與時間控制，可實現最佳性能。要整合哪種雷射類型，取決於雷射的輸出特性與經最佳化的聚合物材料之間的交互作用。

雷射設備系統

雷射製造商納入其系統的硬體與軟體元件，會對打標對比、品質與速度造成顯著差異。首要特性是打標表面的功率密度（W/cm²），這與雷射的原始輸出功率不同。雷射光束的輸出模式對打標表現至關重要，這些輸出模式與光束發散度及雷射光束直徑上的功率分佈等因素有關。

功率密度取決於雷射聚焦光點尺寸。在特定焦距透鏡與雷射波長下，聚焦光點尺寸取決於雷射光束發散度，而發散度由雷射配置、模式選擇孔徑大小與擴束鏡（光束擴展器）倍率所控制。脈衝重複率與峰值功率密度是形成標記並達到最佳對比與速度的關鍵參數。功率與脈衝重複率的算術曲線呈反比關係。低頻率下的高峰值功率會使表面溫度迅速上升，使材料汽化，同時傳入基材的熱量極少。隨著脈衝重複率增加，較低的峰值功率產生的汽化極少，但傳導的熱量較多。其他影響打標對比與品質的因素，當然還包括光束速度與向量線條間距。

結論

現代機器視覺系統不僅是獨立的檢測設備，而是整合於六標準差製造作業之中，包括統計品質管制指標程式。先進系統內含人工智慧，進一步拓展了雷射與機器視覺碼的領域。雷射打標的這種強大結合，透過為近乎零缺陷的產品提供製程回饋與防錯功能，被視為成功的關鍵。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁，該公司是專精於塑膠二次加工製程的工程公司，業務涵蓋雷射打標、表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 開發開創性技術並解決製造問題已逾 30 年。歡迎撥打 972.820.6777 或造訪 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 與他聯絡。

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