Rückverfolgbarkeit von 2D-Codes (Data Matrix/ QR Code/ Barcode)

Kleiner, leichter, effizienter. Die Nachfrage nach miniaturisierten Produkten steigt, während immer mehr Informationen auf dem Produkt selbst untergebracht werden müssen. Eine lückenlose Rückverfolgbarkeit wird im Qualitätmanagement und der Qulitätssicherung gefordert. Wir erläutern Ihnen hier Möglichkeiten und gelöste Anwendungen, wie Sie diese Sicherheit in Ihre Supply Chain einbinden können.
Ein 2D-Code kann die zehn- bis hundertfache Information eines Barcodes enthalten. Er ist bei der Rückverfolgbarkeit unersetzbar. Diese hohe Informationsdichte ermöglicht es einem 2D-Code die gleiche Informationsmenge wie ein Barcode in nur 1/30 der Größe zu speichern. Diese Vorteile haben den DMC (Data Matrix Code) zu einem Standard in der Rückverfolgbarkeit gemacht.

2D-Code Anwendungsbeispiele für die Rückverfolgbarkeit

Die Verwendung von 2D-Codes verbessert die Informationsverwaltung und reduziert dadurch die Arbeitszeit. In den letzten Jahren ist eine detaillierte Rückverfolgbarkeit durch Reglements nicht nur für fertige Produkte, sondern auch für einzelne Teile erforderlich. Die Anzahl der 2D-Codes, die direkt mit einem Beschriftungslaser aufgebracht werden, nimmt zu. Folglich ist eine qualitativ hochwertige Kennzeichnung erforderlich, um ein stabiles Lesen des 2D-Codes zu gewährleisten.

Elektronikindustrie

Kameraeinheit
2D-Codes ermöglichen die serielle Rückverfolgbarkeit miniaturisierter Komponenten mit engem Beschriftungsraum. Die Möglichkeit viele Informationen auf kleinem Raum aufzubringen, ermöglicht Flexibilität, um mit der strengen Qualitätskontrolle Schritt zu halten.
Herzschrittmacher
Fertigungs- und Inspektionsverläufe können für das Qualitätsmanagement im 2D-Code gespeichert werden. Man kann die einzelnen Produktionsschritte überprüfen, indem der Code ausgelesen wird. Dies ist das System, das man unter Rückverfolgbarkeit versteht.

Automobilindustrie

Zylinderblock
Für die Rückverfolgbarkeit wird eine Seriennummer wird auf jedem Produkt als 2D-Code beschriftet. Der Code wird in späteren Prozessen gelesen, um Robotern oder Menschen Montage-Arbeitsanweisungen, passend zur Produktseriennummer, zu geben.
Injektor
Zeitbezogene Daten, einschließlich des Herstellungsdatums und der Linieninformationen, werden auf jedem Produkt in einem 2D-Code untergebracht, auf das Produkt beschriftet und für das Rückverfolgbarkeitsmanagement verwendet.

2D-Code Bewertung bei der Rückverfolgbarkeit

Um ein stabiles Grading und einfache Rückverfolgung zu gewährleisten, ist eine Beschriftung notwendig, die von einem 2D-Codeleser schnell und präzise ausgelesen werden kann. Es gibt einige Standards für das Auslesen von 2D-Codes, besonders im empfindlichen Bereich der Rückverfolgbarkeit. Die Qualität des Codes kann als Note ausgedrückt werden. Die Norm ISO / IEC TR 29158 (AIM DPM-1-2006) * wird im Allgemeinen verwendet, um die direkte Kennzeichnung von Produkten mit Laserbeschriftern zu beurteilen. Diese Norm legt die folgenden Kriterien für die Bewertung der Lesewerte fest.

Dies ist ein internationaler Standard für die Bewertung von 2D-Code-Beschriftung bei der direkten Teilekennzeichnung.

1Gesamtbewertung (alle Faktoren einbezogen)

Die Gesamtbewertung wird als niedrigste Note unter den Kriterien 2 bis 11 bestimmt. Das Ergebnis wird als Buchstabennote von A bis D oder F ausgedrückt, wobei A die bestmögliche Note ist (Lesestabilität).

2Erfolgreiche/ fehlgeschlagene Dekodierungen (DEC)

Dieser Parameter beurteilt Codes danach, ob sie lesbar sind oder nicht. Für die Rückverfolgbarekit ist dies ein ausschlaggebender Parameter.

3Zellenkontrast (CC – Cell Contrast)
Dieser Parameter beurteilt den Helligkeitsunterschied zwischen Schwarz (dunkel) und Weiß (hell) in einem Code.
Geringe Güte bedeutet, dass der Kontrast nicht korrekt erkannt werden kann.
4Zellmodulation (CM – Cell Modulation)
Bewertung der Variation der Helligkeit von hellen und dunklen Zellen
5Reflexionsmarge (RM – Reflectance Margin)

Auswertung der Genauigkeit zwischen schwarzen (dunkeln) und weißen (hellen) Zellen als Ergänzung der Beurteilungsmethode CM 4

6Schäden am festen Muster
(FPD – Fixed Pattern Damage)

Dieser Parameter beurteilt, ob die Auffindungsmuster und Ränder für die Erkennung von 2D-Codes korrekt dargestellt sind.

7Format Information Damage (FID)

Dieser Parameter beurteilt nur QR-Codes.
Der Bereich mit den gelb markierten Zellen enthält Informationen zu Fehlerkorrekturniveau und Maskenmuster des QR-Codes. Befinden sich Schmutz oder Verzerrungen in diesem Bereich, ist der Code nicht mehr lesbar und die Rückverfolgbarkeit kann nicht gewährleistet werden. (siehe Abbildung unten)

8Versionsdatenschaden
(VID – Version Information Damage)

Dieser Parameter beurteilt, ob die Information zu der Version des QR-Codes beschädigt oder verschmutzt ist. Dies wird nur bei QR-Code Modellen 2 in Version 7 oder höher verwendet.

9Axiale Verzerrung (AN – Axial Nonuniformity)

Dieser Parameter nutzt die horizontale und vertikale Zellanordnung, um zu beurteilen, ob die Zellen korrekt in Quadratform gedruckt sind.

10Allgemeine Verzerrung (GN – Grid Nonuniformity)

Dieser Parameter beurteilt, ob der Mittelpunkt einer Zelle von der Idealposition abweicht. Die Güte verringert sich, wenn eine Zelle beim Markieren beispielsweise infolge von Vibrationen falsch ausgerichtet ist.

11Nicht-verwendete Fehlerkorrektur (UEC – Unused Error Correction)

Bewertet die nicht verwendete Fehlerkorrektur zur Zeit der Dekodierung eines 2D-Symbols. Geringere Güten bedeuten, dass die Fehlerkorrekturfunktion intensiv genutzt wird.

Bei der direkten Beschriftung auf Metalloberflächen sind CC, CM, RM und FPD häufig geringer, wenn kein Kontrast erzielt werden kann. Um zu verhindern, dass diese Werte abnehmen, ist das Ziel einer lesbaren Beschriftung. In den letzten Jahren wird meistens die Note C oder höher verlangt. Es ist wünschenswert, unmittelbar nach der Beschriftung, höhere Noten zu erzielen.

3D Beschriftungsfunktion für die Rückverfolgbarkeit

Der Kontrastunterschied zwischen schwarzen und weißen Zellen ist wichtig für die Beurteilung von 2D-Codes für die Rückverfolgbarkeit. Ein Beschriftungslaser erzeugt verschiedene Kontraste, indem man die Beschriftungsparameter ändert.

1. Anlassbeschriftung (Oxidation)
Wenn der Laserstrahl auf die zu beschriftende Fläche ausgerichtet wird, wird der Fokus verschoben, so dass nur die Wärme in das Material eindringt. Das Anwenden von Wärme, ohne gravieren oder Abtrag der Oberfläche, erzeugt einen Oxidfilm. Dieser Film erscheint schwarz und repräsentiert die sogenannte schwarze Beschriftung
2. Weißgravur-Beschriftung
Zur weißen Beschriftung wird der Laser auf das Werkstück fokussiert. Dabei wird die Metalloberfläche sehr leicht graviert, wodurch eine raue Oberfläche entsteht. Aufgrund der hierdurch entstehenden unregelmäßigen Reflektionen wirkt die Beschriftung weiß.
Variabler Fokusdurchmesser
Markierung an den eingestellten Koordinaten

Die 2D-Code-Beschriftung für die Rückverfolgbarkeit erzeugt durch Gravur und Oxidation einen Kontrast zwischen Schwarz und Weiß. Der Schlüssel zu einem A Grading ist die Verwendung einer weißen Beschriftung mit richtigem Fokus und schwarzer Beschriftung mit unscharfem Fokus. Der variable Fokusabstand der 3D-Beschriftungsfunktion ist für diese Art von Beschriftungen am besten geeignet.

Der Kontrast ist wichtig für die empfindliche 2D-Code-Beschriftung in der Rückverfolgbarkeit. Die 3D-Korrektur ist eine gute Methode, um den Fokus über den gesamten Beschriftungsbereich aufrechtzuerhalten.

Eine ideale Beschriftung ist problemlos in der Mitte des Beschriftungsbereichs möglich. Ohne die Fokuskorrektur mittels 3D-Beschriftungsfunktion kann es schwierig sein, eine Beschriftung mit starken Kontrast zu erstellen, was zu einer niedrigeren Code-Bewertung für die Rückverfolgbarkeit führt.

Tiefenschärfe

Jeder Lasertyp besitzt eine bestimmte Qualität von Tiefenschärfe. Wenn der Fokus zu stark abweicht, verschlechtert sich die Qualität der Beschriftung und dies wirkt sich auch auf das Leseergebnis des 2D-Codes aus. Das Grading für die Rückverfolgbarkeit wird schlechter.

Einfluss der Brennweite auf die 2D-Codequalität

Wenn die Brennweite weit von der Referenzposition/ dem Ursprung entfernt ist, verblasst die Beschriftung und der Kontrast wird schwächer, was zu einer niedrigeren 2D-Code Bewertung führt und die Qualität des Rückverfolgbarkeitssystems verschlechtert. Obwohl die zulässige Tiefenschärfe in Abhängigkeit von der Laseroszillationsmethode variiert, sollte grundsätzlich verhindert werden, dass der Fokus abweicht, indem eine konstante Brennweite zwischen zu beschriftende Oberfläche und Beschriftungslaser beibehalten wird. Dies kann händisch geschehen oder durch die Verwendung eines externen Abstandssensors.

KEYENCE Faserbeschriftungslaser
KEYENCE YVO4 Beschriftungslaser

Laseroszillationsmethode und Tiefenschärfe

Vergleich der Leistungsverteilung im Strahl

Faserlaser
YVO4-Laser
(Endpumpverfahren)

Die rechtsseitige Abbildung zeigt einen Vergleich der Beschriftungsqualität zwischen einem YVO4-Laser und einem Faserlaser. Ein YVO4-Laser erzeugt einen Laserstrahl mit einer hohen Spitzenleistung und kurzem Impuls. Dies ermöglicht Oberflächen mit hoher Festigkeit und Energiedichte (wie Metalle) über kurze Zeit zu bestrahlen. Selbst wenn der Fokus aufgrund von minimalen Bewegungen des Produkts oder durch Produkttoleranz abweicht, ist die Beschriftungsqualität im Vergleich zu Fasertypen stabil. In Fällen, in denen die Beschriftung durch einen Einfallswinkel beeinflusst wird, z. B. am Rand des Beschriftungsbereichs, erzielt ein YVO4-Laser eine stabile Beschriftungsqualität, ohne zu verblassen.

Autofokusfunktion

Autofokus- Einstellmechanismus

Was sind die Vorteile der Autofokusfunktion? Der Beschriftungslaser der Modellreihe MD-X von KEYENCE verfügt über eine integrierte Kamera, mit der der Fokus automatisch angepasst werden kann, ohne dass ein externes Gerät erforderlich ist. Die hohe Beschriftungsqualität bleibt auch bei Zielen erhalten, die aufgrund schwankender Toleranzen auf herkömmliche Weise mit Hilfsmitteln schwerer oder aufwändiger zu beschriften sind. Darüber hinaus ist keine Umrüstzeit mehr erforderlich, wenn Produkttypen geändert werden, was die Arbeitszeit erheblich reduziert. Durch den Autofokus fallen Eingriffe in die Produktionslinie weg, erleichtert den Arbeitsalltag und reduziert den benötigten Platz.

Der Beschriftungslaser der Modellreihe MD-X ist standardmäßig mit einem integrierten Abstandssensor ausgestattet. Dies gewährleistet eine zuverlässige Fokussierung, indem zunächst der Abstand gemessen und dann der Beschriftungsbereich eingestellt wird.
Der Beschriftungskopf ist zudem mit einer Kamera ausgestattet. Mit dieser Kamera wird die Form des Objekts für die Ausrichtung bestimmt, wodurch eine zuverlässige Positionierung für die Beschriftung ermöglicht wird.
Diese Messungen sind je nach Material, Form oder Oberflächenzustand des Produkts möglicherweise nur schwer möglich.

Beschriftungsmuster für eine qualitative Rückverfolgbarkeit

Die Beschriftungslasersoftware bietet verschiedene Arten von 2D-Code Beschriftungsmuster, so dass unter verschiedenen Bedingungen eine optimale Beschriftung möglich ist. In den folgenden Beispielen werden Beschriftungsmethoden unter bestimmten Bedingungen vorgestellt.

Auswählbare Beschriftungsmuster

11 verschiedene Beschriftungsmuster
6 verschiedene Grundlagen

Klare 2D-Code Beschriftung

Bei einigen Materialien kann das Lesen aufgrund von Haarrissen in der Metalloberfläche instabil sein. Nur das Ändern des Beschriftungssmusters von 2D-Codes oder der Grundlage kann hier die Lesequalität verbessern.

  • Metallbauteil mit Walzlinien

  • Wird für die Grundlage das horizontale Raster verwendet, ist der Lesevorgang aufgrund der Walzlinien instabil.

  • Wenn für die Grundlage das diagonal verlaufende Raster verwendet wird, verschwinden die Walzlinien und die Lesung erfolgt stabil.

Schnellste 2D-Code Beschriftung

Die Beschriftungszeit kann je nach Produktionsvolumen begrenzt sein. Die Auswahl eines auf die Situation abgestimmten Beschriftungsmusters ermöglicht eine kürzere Beschriftungszeit sowie eine steigende Produktivität.

  • Muster B
    Standardbeschriftungen einzelner Zellen und von links nach rechts
    Markierzeit: 637 ms
  • Gesamtmuster 2
    Effizientes Muster, mit dem der gesamte 2D-Code durchgehend markiert wird
    Markierzeit: 342 ms
    Einsparung von 47% im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren

Die Zeit wurde mit einem Beschriftungsbeispiel von 16 × 16 Data Matrix mit einer Zellgröße von 0,3 mm berechnet. Die obige Bewertung ist ein typisches Beispiel. Das Ergebnis variiert jedoch je nach Material- und Oberflächenzustand des zu beschriftenden Objekts und den Beschriftungsbedingungen.

2D Code Gravur

In Fällen, in denen nach dem Beschriften plattiert oder gehärtet wird, kann eine tiefe Gravur erforderlich sein. Gravurmuster ermöglichen ein gleichmäßiges Gravieren oder eine Tiefengravur innerhalb kurzer Zeit.

Muster F

Die Gravurlinien werden gekreuzt, um die Tiefe gleichmäßig zu gestalten.

Muster C

Die Oberfläche wird konzentrisch mit einem Laserstrahl graviert, so dass durch die akkumulierte Wärme in kurzer Zeit eine tiefe Gravur (ein Data Matrix Code mit tiefen Punkten) entsteht.

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