如何在金属产品中嵌入防伪特征

航空航天，汽车和医疗行业正遭受大量假冒金属产品的困扰，这些假冒产品不仅造成了财务损失，而且危及生命。本研究中成功地应用了一种新型的混合粉末输送选择性激光熔化（SLM）方法，将不同的标记材料（Cu10Sn铜合金）的安全特征（例如QR码）嵌入到316 L不锈钢制成的金属产品中。

让产品带上身份证

增材制造（AM）与传统制造方法相比具有固有的灵活性和优势，可以生产复杂性能的产品。预计到2020年，增材制造技术全球潜在的年市场价值为210亿美元，其中48.4％将用于航空航天，汽车和医疗行业等高附加值制造应用。上述领域的许多应用都与功能和安全关键部件相关，例如涡轮叶片在喷气式发动机中的应用和骨植入人体。

增材制造技术的迅速采用使得抑制假冒产品更加困难，因为仿冒者有合适的3D打印机，可以在线下载或通过逆向工程获得的3D模型，它们就可以轻松快速地复制仿制产品。美国联邦航空管理局（FAA）数据库报告说，在2010年至2017年之间，有20例由于假冒部件而导致飞机坠毁的事件。美国国家运输安全委员会（NTSB）报告了2011年至2016年之间在飞机中发现的135起不合格的航空部件案件。汽车工业中的伪造品更为严重，世界海关组织在国际刑警组织（Interpol）估计，全球假冒汽车零件的市场价值为每年120亿美元，而美国汽车零件行业由于假冒商品而损失了30亿美元的销售额。

由于现有金属增材制造技术的技术局限性，包括粉末床熔合和定向能量沉积会使嵌入高分辨率的安全特征变得困难。因此开发一种高分辨率多金属材料增材制造技术来嵌入跟踪码作为一种新的防伪手段是非常重要的。

本文实验中使用的主要材料是由英国LPW科技有限公司提供的直径为10–45微米的球形316L不锈钢粉末(图1a)，直径为10-45μm的Cu10Sn粉末（Makin Metal Powders Ltd. UK，图1b）用作安全标记材料。Cu10Sn和316 L的热性质和密度具有明显的特征，因此预计它们将呈现显著不同的红外光谱、X射线荧光和X射线图像特征。由于316L化学成分中不含铜和锡元素，嵌入的特征应该更容易通过x射线荧光分析来观察。

图1. 使用的粉末材料的SEM图像 a）316 L粉末，b）Cu10Sn粉末

使用由曼彻斯特大学设计的多材料SLM系统（如图2所示）进行实验。

图2. 实验装置示意图

工艺流程如图3所示，首先将主要材料即316L铺开薄层，随后用激光束选择性熔化设计区域中的粉末。然后，在限定二维码位置的未熔化粉末被微型真空吸尘器去除一层，以产生特定图案的平坦空腔。标记材料，即Cu10Sn，被沉积到这种二维码图案的空腔中，并被激光束熔化。为了避免粉末材料污染主要材料，用微真空系统再次清洁激光熔化的二维码区域。然后，工作台下降给定的单层距离。重复这些步骤，直到创建3D元件。

图3. 用于在金属零件中嵌入安全特征的多材料SLM工艺流程示意图

记录CCD图像的嵌入式QR码打印过程，(a)到(g)的每个步骤都在中说明图3

如图5a所示，设计了特殊的QR码，其中QR码（红色）和周围成分（蓝色）分别由Cu10Sn和316L制成，它代表的信息是“曼彻斯特大学LPRC”。样本A中的代码(图5a)在顶面上完全暴露在外。样本B上代码的三分之二被1毫米厚的316L层覆盖(图5b)。样本C上的整个嵌入二维码(参见图5c)被厚度为2mm的316L层覆盖。所有三个样本的二维码厚度均为0.5毫米。

图5. (a)至(c)分别给出了二维码样本A、B、C的示意图，(d)是粘附在304不锈钢基底上的标签环的示意图，其中x光从基底的底部射出。

样品表面的加热基于辐射热传递。二维码316L部分与基板之间的热传递是通过传导实现的。在加热过程中，初始样品温度为15℃，炉内温度设定为120 ℃。在冷却过程中，样品通过对流和辐射传热进行冷却。样品在正常的室内环境中冷却，因此环境温度为15 ℃。

随着加热时间的增加，暴露的二维码和部分覆盖的二维码温度分布在图7a和b。对于暴露在表面上的二维码，316L部件显示最高温度为51℃，而Cu10Sn二维码在加热10分钟后为35℃，因此可以识别出清晰的二维码。对于其他样品，我们没有发现Cu10Sn二维码和周围316L之间的显著温度差异，直到样品被加热1小时，如所示图7b.

图6. (a)和(b)分别显示了暴露的二维码随着时间增加的模拟温度分布和部分覆盖的二维码的模拟温度分布。

随着时间的推移，Cu10Sn部分和316L部分之间的温差减小，图像对比度降低。图9b表示部分覆盖的二维码在20分钟间隔内的温度分布。地下二维码造成的温差无法识别。

图8. 随着冷却时间的增加，二维码样本的模拟温度分布，(a)暴露的二维码，(b)部分覆盖的二维码。

在确定的材料成分和X射线入射强度下，X射线成像分辨率预计会受到包含标记特征的X射线检查区域的总厚度的影响。它将随着覆盖层的深度呈指数下降材料厚度增加，并且选择较重的金属作为标记材料并增加标记厚度将有助于增强x光成像对比度。

x光图像(图9b)清楚地识别样品A顶面上的二维码。材料密度(即材料的原子量)越低，材料对x光越透明，其图像越亮。316L和10Sn的密度分别为8.00克/厘米3和8.78克/厘米3，因此316L材料的颜色比Cu10Sn的颜色浅，如所示图9b。

图9. (a)和(c)示出了样品A和C的光学图像，(b)和(d)示出了样品A和C的俯视数字X射线图像。

为了进一步研究嵌入深度对二维码识别的影响，在二维码覆盖层为15.0mm的情况下，从上至下对样本A和样本C进行了检测。由于数字X射线系统穿透深度的限制，采用了传统的射线照相胶片方法，其光子穿透深度要高得多，但图像分辨率比数字X射线图像差。从仰视图看，样品A和样品C仍然观察到清晰的二维码轮廓，如所示图10顶视图和底视图之间的x光图像的差异是覆盖层厚度为15 mm的样品显示出较差的对比度。然而，这些并不影响二维码成像分辨率。