用于产品防伪、标识与防伪打假的光纤激光打标

用于产品防伪、标识与防伪打假的光纤激光打标

对于塑料产品的直接零件标识，激光打标相比模内标签和油墨印刷具有优势。掺镱光纤激光器的出现，进一步凸显了激光作为增加安全和防伪措施的重要方法。

对含机器视觉码的永久性直接零件标识的工业制造需求正在快速增长。三种常见的码类型是 QR 码、Data Matrix 码和条形码。直接零件标识可实现对单个唯一产品从制造之日起直至使用寿命结束的追踪。对机器视觉码的需求源于对部件可追溯性和产品唯一标识（UID）日益增长的要求。“9·11”事件之后，制造商开始实施相关策略，以建立可追溯性并防止产品被篡改和仿冒。美国国防部（DoD）制定了 MIL-STD-130，作为军用财产的标准规范。除国防部外，汽车、制药、电子、包装和消费品等领域的商用工业产品制造商也在积极采用类似标准。

要点

• 在携带相同数据的情况下，Data Matrix 码的尺寸仅为条形码的 1/10 至 1/100——在表面积稀缺时至关重要。
• 每个码大约有一半是设计使然的冗余，单元受损而不影响可读性的概率为 50/50。
• MIL-STD-130 树立了标准，汽车、制药、电子和包装等行业已采用同类标准。
• 约 25% 的机器视觉码因分辨率质量不佳而被误读——这主要是喷墨的局限。
• 在发动机舱内的汽车燃油部件上，1/6 英寸的二维码在 150 毫秒内即可打标完成。

常见问题

机器视觉码为什么用激光打标而不是喷墨？

分辨率和永久性。非永久性喷墨无法达到机器视觉所需的精细线条边缘分辨率，尤其是在小型零件上，专家认为约 25% 的机器视觉码因分辨率质量不佳而被误读。此外，大多数油墨即使经过预处理，也无法在低表面能塑料上充分附着。

Data Matrix 码相比条形码有何优势？

体积小且抗损伤能力强。在编码数据量相同的情况下，Data Matrix 码的尺寸为条形码的 1/10 至 1/100。数据分散于整个符号，因此码约一半为黑、一半为白，单元受损而不影响可读性的概率大致各占一半，且内置的纠错功能有助于从符号损伤中恢复。

Data Matrix 码可以用条形码扫描仪读取吗？

不能。通常没有能够覆盖整个符号的扫描路径，因此 Data Matrix 码必须使用相机采集设备扫描，而不能用激光扫描仪。

是什么推动了直接零件标识的采用？

可追溯性和唯一标识要求。“9·11”事件之后，制造商开始实施建立可追溯性、防止篡改和仿冒的策略，美国国防部制定了 MIL-STD-130 作为军用财产的标准规范，商用领域也采纳了类似标准。

小型二维码实际能容纳哪些数据？

在发动机舱内的汽车燃油部件上，150 毫秒内打标完成的 1/6 英寸码可承载完整的部件可追溯信息：树脂批次、注塑机、日期、班次和时间，以及装配泄漏测试结果。

数字与模拟标记/印刷技术

含唯一标识信息的直接零件标识需要激光打标、喷墨和点针打标等“数字”技术。请注意，模内标签和热转印标签是两步工艺，成本明显高于激光打标，本文不作讨论。对于许多三维塑料产品，激光是首选方法，因为该工艺可产生高对比度的永久性标记，无需昂贵的耗材墨水/溶剂，也无需后固化。激光可精确打标最小尺寸的机器视觉码。这对于微标记，以及零件或部件上可用于标记字母数字、徽标或示意图的表面积有限时十分重要。稳健的六西格玛运营要求所有产品的标记无论尺寸和复杂程度如何，都必须 100% 可被人眼或机器视觉读取。

一个出色的应用实例，是通过激光在恶劣环境下的发动机舱内汽车燃油部件和组件（通常为缩醛、尼龙和聚酯聚合物）上施加二维 Data Matrix 码（照片 1）。1/6 英寸大小的码在不到 150 毫秒内即可打标完成。码中包含的数据可实现部件的完整可追溯（从树脂批次、注塑机、日期-班次-时间到装配泄漏测试）。

正如一位汽车行业高管所说：“我们设计的许多发动机舱内缩醛燃油部件结构紧凑。在自动化装配作业接近尾声、在线泄漏测试之后，对关键信息和 Data Matrix 码进行永久性微标记，在行业内具有很高价值。唯一的零件标识也有利于企业内部对在制品的库存管理。”

与非接触式激光打标和喷墨工艺相比，“模拟”式油墨转移的移印和丝印在大多数塑料上无法产生永久性标记或单件级唯一标识。

此外，该工艺还伴随着油墨、移印胶头（tampon）、印版（cliché）和化学品等昂贵的持续可变成本。比较激光打标与喷墨，油墨和耗材的成本节约相近。非永久性喷墨无法达到精细线条边缘分辨率，而这对机器视觉至关重要，尤其是小型零件。专家认为，25% 的机器视觉码因分辨率质量不佳而被误读。请记住，大多数油墨即使经过预处理，也无法充分附着于许多低表面能塑料，数字和模拟油墨印刷工艺都存在这一情况。

什么是机器视觉码？机器可读（视觉）码包含可通过光学扫描仪或相机解读的信息。常见的例子是一维“条形码”，它以信息的形式呈现，通常为浅色背景上的深色对比度，形成高、低反射率并转换为 1 和 0。最常见的条形码格式将数据存储在印刷的平行线条（黑白条纹）的宽度和间距中。

尽管现代条形码方案可以包含 ASCII 字符集，但一些制造场景需要更为先进的机器视觉码。在更小空间内编码更多信息的持续需求，促成了二维“Data Matrix”码的发展。Data Matrix 码无法用激光（条形码所用）读取，因为通常没有能够覆盖整个符号的扫描路径，必须使用相机采集设备扫描。二维 Data Matrix 是专为解决条形码局限性而设计的革命性机器可读码。图 1 展示了二维码（Data Matrix 和 QR）与条形码的差异。

二维 Data Matrix 码非常适合小型零件标记，并专为耐受恶劣的工业环境而设计。在编码数据量相同的情况下，Data Matrix 码的尺寸为条形码的 1/10 至 1/100。零件上极小的空间即可容纳大量用于产品可追溯的制造数据。每个码约一半为黑、一半为白，单元受损而不影响可读性的概率为 50/50。Data Matrix 的高冗余度（数据分散于整个符号）和对印刷缺陷的抗性使其极为可靠。算法内置的纠错方案进一步优化了从符号损伤中恢复的能力。见表 1。

激光添加剂

近红外激光添加剂可提高对比度，并可通过改变激光设置参数进一步增强。聚合物本身具有产生“深色”或“浅色”打标对比度的固有特性。一些含少量二氧化钛（TiO2）和炭黑的着色剂化合物也可能吸收激光，在某些情况下可改善打标对比度。即使是同一聚合物族内的每种聚合物牌号，也可能产生不同的结果。添加剂配方不得有毒，也不得对产品的外观或物理、功能性能产生不利影响。

与油墨印刷工艺（移印/丝印和喷墨）相比，激光添加剂可节约成本，且与未优化材料相比，打标速度可提高 20% 甚至更多。激光添加剂以粒料和粉末形式供应。粒料产品可直接与聚合物树脂混合，粉末形式则需制成母粒。大多数添加剂易于在聚合物中分散。根据添加剂和聚合物的不同，（最终零件中的）按重量添加浓度范围在 0.01% 至 4.0% 之间。

某些添加剂含有锑掺杂氧化锡与三氧化二锑的混合物，可能使天然（未着色）基材的不透明度带上“灰色”色调。其他添加剂可能含有铝颗粒、混合金属氧化物和专有化合物。通过颜料和染料进行颜色调整，以获得最终的配色外观。市售的特定添加剂（也用于激光焊接）已根据 21 CFR 178.3297——聚合物着色剂中的 A-H 条件，获得 FDA 对食品接触和食品包装用途的批准。欧盟也有类似的合规声明。认证条件因聚合物类型、添加浓度阈值以及直接或间接接触而异。将 FDA 批准的添加剂混入“最终零件”后经进一步鉴定，可使医疗器械达到生物相容性。

掺镱光纤激光技术

激光技术的进步对新一代 FDA 批准激光添加剂的快速发展起到了重要作用。纳秒掺镱光纤激光器的出现是打标、焊接和切割领域最重要的进步之一。从根本上说，光纤激光器不同于其他二极管泵浦固体（DPSS）打标激光器。光纤激光器中，产生激光束的增益介质分散于特制的光纤光缆内。与光纤传输式激光器不同，光束的整个路径都在光纤光缆内，一直延伸到光束传输光学器件。这种全光纤结构在很大程度上决定了这类激光器的可靠性和坚固性，也是其快速增长的原因。

与 Nd:YAG 激光器相比，光纤激光器可产生更优的光束质量（M2）和亮度。光束质量卓越的激光可聚焦成很小的光斑，从而获得高能量密度。脉冲能量最高 1mJ、功率密度高的固定和可变脉冲主振荡功率放大器（MOPA）光纤激光器，可对许多历来难以打标的聚合物打标。钒酸盐激光器同样具有较小的 M2 值，且脉宽比固定光纤和 YAG 激光器更短。脉冲持续时间影响热量和材料内碳化的程度。短脉冲（通常 <40ns）在加工敏感聚合物材料时可实现更可控的能量输入，既保留峰值功率以克服材料阈值，又具有较低的脉冲能量以减少局部热损伤。

应用开发针对性极强，不存在通用的激光解决方案。短脉宽 MOPA 激光器能充分发挥敏感的 FDA 批准化学添加剂的性能。对激光热输入及热输入速率进行局部的空间和时间控制，可实现最佳性能。集成何种激光器，取决于激光输出特性与优化聚合物材料之间的相互作用。

激光设备系统

激光器制造商在其系统中采用的硬件和软件组件，对打标对比度、质量和速度有着重大影响。首要指标是打标表面的功率密度（W/cm2），它不同于激光器的原始输出功率。激光束的输出模式对打标性能至关重要，这些输出模式与光束发散度以及沿光束直径方向的功率分布等因素有关。

功率密度取决于激光聚焦光斑的大小。对于任意给定焦距的透镜和激光波长，聚焦光斑大小取决于激光束发散度，而发散度由激光器结构、选模光阑孔径和扩束镜（束扩展器）倍率控制。脉冲重复频率和峰值功率密度是形成标记、获得最佳对比度和速度的关键参数。功率与脉冲重复频率的算术曲线成反比。低频下的高峰值功率使表面温度迅速升高，使材料汽化，同时传入基材的热量极少。随着脉冲重复频率升高，较低的峰值功率产生的汽化极少，但传导的热量更多。当然，影响打标对比度和质量的其他因素还有光束速度和矢量线间距。

结论

现代机器视觉系统不只是独立的检测设备，而是集成在包括统计质量控制指标程序在内的六西格玛制造运营之中。先进系统内含人工智能，进一步拓展了激光与机器视觉码的应用范围。激光打标的强大组合通过提供过程反馈和错误预防，为实现近乎零缺陷的产品提供保障，被视为成功的关键。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，业务涵盖激光打标、表面预处理、粘接、装饰与精加工以及产品防伪。Sabreen 开发开创性技术、解决制造难题已逾 30 年。您可拨打 972.820.6777 联系他，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com。

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