RFID i znakowanie. Część 2 - Przegląd technik znakowania

Techniki znakowania dzieli się na dwie grupy: pośrednie i bezpośrednie. W pierwszych oznaczenia nanosi się na etykiety mocowane na przedmiotach znakowania. Etykiety wykonuje się z różnych materiałów, na przykład metali, tworzyw sztucznych, tkanin lub papieru.

Do tej kategorii jest też zaliczana technika RFID, w której dane identyfikujące obiekt są zapisywane w znacznikach, a ich odczytu i zmiany dokonuje się za pośrednictwem fal radiowych. Była ona tematem pierwszej części artykułu. W metodach, które zalicza się do drugiej kategorii, symbole umieszcza się bezpośrednio na powierzchni przedmiotu.

Etykietowanie i znakowanie bezpośrednie mają zalety i wady. Za tym pierwszym przemawia łatwość realizacji, w tym uzyskania i utrzymania dla całej serii jednakowej jakości (czytelności) napisów. W zależności od materiału i sposobu mocowania etykiety mogą być jednak mniej trwałe niż oznaczenia wykonane metodą bezpośrednią. Z drugiej strony na czytelność tych drugich wpływ mają właściwości powierzchni, jak chropowatość lub kolor materiału, z którego został wykonany znakowany obiekt.

Zarówno etykiety, jak i przedmiot można znakować technikami niszczącymi albo nieniszczącymi. Do drugich zaliczane jest drukowanie, natomiast za metody niszczące uznawane jest znakowanie m.in.: przez wybijanie, żłobienie, trawienie oraz laserem.

PRZEGLĄD TECHNIK DRUKU

Nadruki można wykonać kilkoma metodami. Jedną z najstarszych jest technika CIJ (Continous Ink-Jet). W jej przypadku strumień kropli tuszu jest wyrzucany z dysz z dużą prędkością. Część z nich zostaje naładowana elektrostatycznie. To pozwala na ich odchylanie w polu elektrycznym tak, żeby można było uformować żądany wzór. Krople, które nie zostaną wykorzystane, są z powrotem zasysane do zasobnika z tuszem.

Do zalet metody CIJ zalicza się: szybkość drukowania i możliwość znakowania różnych materiałów oraz powierzchni o różnych kształtach i teksturach. Dzięki temu, że krople są wyrzucane z dyszy z dużą szybkością, dystans pomiędzy głowicą drukarki a znakowaną powierzchnią może być spory.

Najlepiej technika CIJ nadaje się do nanoszenia oznaczeń o małych rozmiarach - im symbole są większe, tym drukowanie jest wolniejsze. Ponadto, żeby utrzymać wymagane właściwości tuszu, trzeba stosować specjalne rozpuszczalniki, te zaś z czasem odparowują. To zwiększa koszty. Poza tym w czasie znakowania atrament może się rozmazywać, a nadrukowane napisy nie są odporne na ścieranie.

Popularna jest także metoda termiczna TIJ (Thermal Inkjet). W tym przypadku pojemnik z tuszem zbudowany jest z wielu komór, z których każda wyposażona jest w grzałkę. Ogrzewa ona atrament, co powoduje powstanie pary. Pod wpływem jej ciśnienia z dyszy drukarki wypychana jest kropla tuszu. Aby było to możliwe, używa się atramentów z lotnym składnikiem.

Na podobnej zasadzie działają drukarki z głowicą piezoelektryczną. W ich przypadku jednak komory z atramentem zamiast w grzałki są wyposażone w element piezoelektryczny, który pod wpływem przyłożonego napięcia zmienia kształt. To powoduje, że kropla tuszu jest wypychana z dyszy.

Zalety tych urządzeń to: szybkość drukowania, długa żywotność dzięki temu, że atramentu nie trzeba podgrzewać, niski koszt eksploatacji oraz stosunkowo duża odległość między głowicą a znakowanym obiektem. Ponadto tusz nie musi zawierać lotnych składników, jak w metodzie TIJ. Z drugiej strony drukarki tego typu są droższe.

Kolejny przykład to drukarki termotransferowe. W urządzeniach tych taśma z barwnikiem jest podgrzewana, co powoduje jego stopienie i, po ostygnięciu, przyklejenie na stałe do znakowanej powierzchni. W porównaniu do drukarek atramentowych te termotransferowe zapewniają słabszą jakość nadruku, ale charakteryzuje go większa odporność na ścieranie i zmywanie.

WYBIJANIE, ŻŁOBIENIE, TRAWIENIE

Wybijanie, czyli znakowanie mikroudarowe, jest to metoda polegająca na uderzaniu w obiekt igłą, co powoduje powstawanie na jego powierzchni otworków. Są one rozmieszczane blisko siebie. To sprawia, że łączą się, tworząc linie oznaczeń, które są widoczne, gdyż inaczej odbijają światło niż otaczające je gładkie tło.

Wśród zalet znakowania przez wybijanie wymienia się: niskie koszty, dużą szybkość, wydajność obróbki, łatwość automatyzacji i modyfikacji wzorów i ich różnych cech, takich jak widoczność i trwałość. Te ostatnie zmienia się, regulując głębokość znaków przez dobór siły, z jaką uderza igła.

Ponieważ wgłębienia są wykonywane pojedynczo na przedmiot, nie jest wywierana zbyt duża siła. Dzięki temu metoda mikroudarowa nadaje się do znakowania materiałów o różnej wytrzymałości, od metali po tworzywa sztuczne.

Napisy żłobione są nanoszone za pomocą rylca, którym usuwa się wierzchnią warstwę materiału. Metoda ta pod względem inwazyjności jest zbliżona do znakowania mikroudarowego. Niestety, symbole wykonane rylcem łatwo ulegają zatarciu, a potem trudno jest je odtworzyć.

Symbole trawi się, używając znakowarek elektrochemicznych. Tą metodą wykonuje się oznaczania charakteryzujące się trwałością, dobrą jakością oraz w razie potrzeby bardzo płytkie (o głębokości nawet zaledwie kilku mikrometrów), szybko i tanio. Poza tym trawienie nie deformuje przedmiotu ani nie osłabia jego struktury.

Trawić można bardzo twarde metale, ale niestety tylko metale, gdyż znakowarek elektrochemicznych używa się wyłącznie do znakowania materiałów przewodzących prąd elektryczny. Do tej kategorii nie zalicza się m.in. metali pomalowanych, anodowanych lub z powłoką fosforanową.

ZNAKOWANIE LASEREM

Pod wpływem promieniowania laserowego w materiałach zachodzą różne zjawiska. Jednym z nich jest ablacja, czyli odparowanie. W ten sposób znakuje się powierzchnie, które są pokryte powłoką. Przykładem są metale anodowane i materiały lakierowane. Przez odparowanie można też nanosić symbole na niepowlekane metale, na których stają się one widoczne po odbarwieniu wgłębień w wyniku utleniania, ceramikę i tworzywa sztuczne.

Niektóre metale znakuje się przez podgrzanie powyżej temperatury topnienia. Tworzywa sztuczne miejscowo się wybiela, odbarwia lub stapia, tworząc spienienia lub zwęglenia uwypuklające znak na tle materiału. Z kolei w symbole na szkle łączą się mikropęknięcia na jego powierzchni.

Do znakowaniu używa się przede wszystkim laserów gazowych, m.in. CO₂ oraz laserów na ciele stałym, na przykład Nd: YAG. Zaleta tych drugich to uniwersalność, natomiast lasery gazowe CO₂ nie sprawdzają się w nanoszeniu symboli na metale.

Wyróżnia się dwie metody znakowania laserowego. W pierwszej na przedmiot obróbki pada wiązka promieniowania, zazwyczaj z lasera impulsowego, po przejściu przez szablon ze wzorem, który ma zostać utrwalony. Metoda ta jest szybka w przypadku, gdy znakuje się dużą liczbę obiektów, rzadko zmieniając szablon.

W drugiej technice, w której korzysta się z laserów o działaniu ciągłym, wiązka jest nakierowywana przez lustra o zmiennym nachyleniu, zaś wzór określa się programowo. Dzięki temu łatwiej go zmienić. Znakowarki tego typu są niestety przeważnie droższe.

JAKIE SĄ ZALETY I WADY ZNAKOWANIA LASEREM?

Tytułowa metoda ma wiele zalet. Wśród nich wymienia się: trwałość oraz dobrą jakość oznaczeń, czystość obróbki, dużą szybkość, wydajność, powtarzalność i łatwość automatyzacji znakowania, długą żywotność laserów liczoną w dziesiątkach tysięcy godzin roboczych i łatwość oznaczania powierzchni o nieregularnych kształtach, trudno dostępnych i elementów złożonych w gotowy produkt dzięki temu, że jest to metoda bezkontaktowa.

Główną wadą jest duży koszt zakupu znakowarki. Oprócz tego w pracy z laserami trzeba zachować ostrożność, w zależności od ich typu obsługa jest bowiem narażona na różne niebezpieczeństwa. Na przykład lasery gazowe CO₂ do pracy wymagają napięcia rzędu kilkudziesięciu kV, a ich częścią są kondensatory gromadzące energię sięgającą setek dżuli.

Z kolei lasery pulsacyjne wymagają podłączenia zbiorników ze sprężonym gazem. Ponadto wypalaniu może towarzyszyć emisja szkodliwych gazów, a promieniowanie laserowe zagraża oczom.

JAKIE CECHY ZNAKU WPŁYWAJĄ NA JEGO CZYTELNOŚĆ?

Trwałość oraz czytelność znaków to ich najważniejsze cechy użytkowe. Od tej drugiej zależy, czy czytnik będzie mógł poprawnie rozpoznać symbole. Wybierając metodę znakowania i dbając o jakość wykonania oznaczeń, należy brać pod uwagę nie tylko możliwości urządzeń o lepszych parametrach, z których korzysta się na przykład w dużych magazynach, ale i o słabszych, czyli zwykle tańszych czytników. Takimi mogą się posługiwać odczytujący symbole na dalszych etapach życia oznaczonego produktu, na przykład w sklepie.

Czytelność znaku zależy od kilku jego cech, w tym: kontrastu, odstępu, który wyróżnia go na tle powierzchni obiektu i rozmiaru. Ważna jest też jednakowość wykonania symboli na wszystkich przedmiotach znakowania.

Przykładem niedochowania tego wymogu, które może uniemożliwić odczyt oznaczeń, jest zniekształcenie polegające na tym, że odstępy między elementami symboli w poziomie i w pionie nie są jednakowe. W efekcie całe znaki nie są kwadratowe, a jeżeli odległości te się zmieniają, dodatkowo każdy znak może wyglądać inaczej.

Jeśli chodzi o kontrast, to im większa jest różnica między jasnymi a ciemnymi elementami znaku, tym łatwiej czytnik go rozpozna, nawet z dużej odległości. Wspomniany odstęp (quiet zone) jest to niezadrukowany obszar otaczający symbol, w przypadku kodów Data Matrix z każdej strony, zaś w przypadku kodów kreskowych poprzedzający ich pierwszy znak i następujący po ostatnim. W tych pierwszych powinien być on równy co najmniej szerokości jednego elementu kodu, zaś w drugich w przybliżeniu dziesięciokrotnie większy od najwęższego paska kodu.

Wprawdzie możliwe jest, żeby kody dwuwymiarowe miały rozmiar kilkudziesięciu mikrometrów, jednak generalnie nie jest zalecane wykonywanie aż tak małych symboli, gdy nie jest to konieczne. W większości przypadków lepiej jest zastosować oznaczenia jak największe, które łatwiej nanieść, a później odczytać, mając do wyboru więcej modeli czytników niż w przypadku znaków o bardzo małych rozmiarach.

OD CZEGO ZALEŻY CZYTELNOŚĆ OZNACZEŃ?

W zależności od techniki znakowania na czytelność symboli wpływają różne czynniki. Na przykład w metodzie mikroudarowej rozmiary, kształt i położenie otworków zależą od: ostrości i twardości końcówki igły, dopasowania siły jej uderzenia do twardości materiału i odległości, jaką przebywa, zanim się z nim zetknie.

Jeśli zakończenie igły jest za ostre albo uderzenie za słabe, otwory mogą okazać się za małe. Tępa igła bywa przyczyną zachodzenia na siebie sąsiednich dziurek. Może to być spowodowane również: użyciem nadmiernej siły w stosunku do twardości materiału, za dużą odległością między igłą w położeniu początkowym i powierzchnią materiału lub za twardą końcówką igły.

Jeżeli otwory znacząco różnią się między sobą rozmiarami, przyczyną może być: duża zmienność siły uderzenia, nierówna odległość pomiędzy igłą a przedmiotem, jak również jego niewłaściwe zamocowanie.

Czytelność znaków wytrawianych przez znakowarki elektrochemiczne zależy z kolei od gładkości i czystości powierzchni. Poza tym niewłaściwy elektrolit i za krótkie trawienie zmniejszają kontrast symboli. Ważne jest także, żeby po zakończeniu znakowania dokładnie usunąć środek trawiący. Inaczej może rozwinąć się korozja.

W przypadku metod CIJ oraz TIJ niewłaściwie dobrana odległość pomiędzy głowicą drukarki a znakowaną powierzchnią pogarsza jakość nadruku, uwidaczniając odległości pomiędzy kroplami tuszu lub powodując ich nakładanie się na siebie. Zabrudzenia głowicy są przyczyną nieciągłości linii znaków, zaś niewłaściwa szybkość drukowania sprawia, że symbole są przekrzywione.

W drukarkach termotransferowych pomarszczona taśma jest przyczyną wybiórczego nanoszenia linii, taśma słabej jakości powoduje rozmazywanie się nadruku, zaś odwrotnie założona całkowicie go uniemożliwia.

WYBÓR ZNAKOWARKI

Wybierając znakowarkę, trzeba sprawdzić, czy materiały, które najlepiej znakować daną metodą, to te, które chcemy oznaczyć albo czy dana maszyna będzie w ogóle w stanie nanieść oznaczenie i nie uszkodzi lub nie osłabi struktury obiektu znakowania.

Najbardziej uniwersalne pod tym względem są znakowarki laserowe i drukarki atramentowe, pośrodku plasują się znakowarki mikropunktowe, natomiast najwęższy jest zakres zastosowań znakowarek trawiących.

Na przykład większość metali, w tym: aluminium, miedź, żelazo, stal, złoto i srebro, można oznaczać laserami (na ciele stałym), nanosząc znaki metodą mikroudarową i elektrochemiczną. Spośród tych metod do znakowania na przykład tytanu i magnezu lepiej jednak nie używać znakowarek mikropunktowych.

W przypadku ceramiki, tkanin i drewna najlepiej sprawdzają się lasery (na ciele stałym) i drukarki. Do znakowania szkła dobrze jest użyć znakowarki laserowej (z laserem gazowym) albo drukarki. Na papierze oznaczenia można drukować albo znakować go przy użyciu laserów.

Tworzywa sztuczne, takie jak PUR, PP, PE, PVC i ABS, można oznaczać przy użyciu znakowarek laserowych, drukarek albo znakowarek mikroudarowych. Wyjątek stanowi teflon, do znakowania którego preferowane jest wykorzystywanie laserów gazowych.

CECHY UŻYTKOWE. ZNAKOWARKI SPECJALNE

Poza tym ważne przy wyborze znakowarki są jej cechy użytkowe. Jedną z nich jest elastyczność.

Pod względem tej cechy, rozumianej jako możliwość znakowania obiektów o skomplikowanych kształtach oraz wyposażenia w różne dodatkowe opcje, pozytywnie wyróżniają się znakowarki laserowe. Nie są to natomiast najmocniejsze strony urządzeń do trawienia. Ważne cechy tych maszyn to też: szybkość i wydajność, jakość oznaczeń, żywotność, w tym częstość wymiany podzespołów, łatwość i koszty konserwacji.

Na początku najwięcej uwagi poświęca się kosztom początkowym, które wynikają z inwestycji w kupno sprzętu. Są one największe w przypadku znakowarek laserowych, średnie w przypadku drukarek, natomiast małe przy zakupie znakowarek mikroudarowych oraz elektrochemicznych.

Trzeba jednak pamiętać też o dodatkowych wydatkach, które ujawniają się dopiero z czasem, w trakcie użytkowania tych maszyn. Są to koszty części i materiałów eksploatacyjnych (igieł, tuszy, środków chemicznych) i energii zasilającej. Najwięcej tej ostatniej zużywają znakowarki laserowe.

Poza znakowarkami ogólnego przeznaczenia dostępne są także modele tych urządzeń o ograniczonym, specjalistycznym zastosowaniu.

ZNAKOWANIE PRZEWODÓW I KABLI

Przykładem są znakowarki przewodów i kabli. Najczęściej w tym zastosowaniu wykorzystywane są metody znakowania przez wytłaczanie symboli, ich nadrukowywanie zazwyczaj szybkoschnącymi tuszami, które zapobiegają odbijaniu nadruków podczas nawijania kabli oraz przy użyciu laserów, które w porównaniu z innymi w tym zastosowaniu wyróżniają się wysoką jakością, szybkością i możliwością nanoszenia symboli o małych rozmiarach. W ramce przedstawiamy przykładowe znakowarki przewodów i kabli różnych typów.

Przewody i kable poza tym, że są znakowane bezpośrednio, często są oznaczane pośrednio, przy użyciu termokurczliwych osłon oraz różnego rodzaju etykiet, na które nanosi się symbole. Jeśli chodzi o te drugie, to przyjmują one różną postać.

Przykładem są oznaczniki w formie: tulejek nakładanych na stałe (zatrzaskiwanych na kablu), w które wtyka się tabliczki z oznaczeniami, blaszek wykonywanych na przykład ze stali nierdzewnej, aluminium lub tworzywa sztucznego, które do kabli mocowane są za pomocą opasek albo blaszek wygiętych z otworami, przez które przetyka się kabel.

O CZYM JESZCZE TRZEBA PAMIĘTAĆ?

Oprócz metody znakowania na czytelność symboli mają wpływ: ich umiejscowienie i specyfika znakowanej powierzchni. Jeżeli chodzi o to pierwsze, to znaków nie powinno się na przykład umieszczać na powierzchni z wypukłościami, które mogłyby rzucać na nie cień. Warto tutaj zaznaczyć, że dotyczy to nie tylko samego symbolu, ale też niezadrukowanego obszaru go otaczającego.

Poza tym odstęp ten nie może być w żaden inny sposób naruszony - nie jest dopuszczalne umieszczanie na nim tekstów ani innych oznaczeń. Nieprzestrzeganie tego jest jednym z najczęstszych powodów, dla których znaku nie można odczytać, ponieważ czytnik nie jest w stanie go w ogóle zlokalizować.

Zaleca się, aby oznaczenia umieszczać na płaskiej powierzchni, a jeżeli nie ma takiej możliwości, na takiej o jednolitej krzywiźnie. Ważna jest również jej odblaskowość. Generalnie, im mniejsza średnica obiektu i bardziej refleksyjna powierzchnia, tym znaki trudnej odczytać. Kolejną cechą znakowanego przedmiotu, którą trzeba wziąć pod uwagę, jest jego tekstura.

Najlepiej, gdy powierzchnia jest całkiem gładka lub tekstura jest jednolita. Przykłady takich materiałów to: stal nierdzewna i szczotkowane aluminium. Oznaczenia na materiałach, które charakteryzuje losowość rozmieszczenia i rozmiarów ziaren tekstury, są trudniej rozpoznawalne. Zaleca się w związku z tym, by najmniejszy element symbolu był od nich co najmniej kilka razy większy.

Monika Jaworowska