METODA I URZĄDZENIE DO BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI ADHEZYJNEJ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH W DOKUMENTACH WIELOWARSTWOWYCH

Transkrypt

1 METODA I URZĄDZENIE DO BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI ADHEZYJNEJ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH W DOKUMENTACH WIELOWARSTWOWYCH Andrzej ZBROWSKI, Tomasz SAMBORSKI Streszczenie W artykule przedstawiono metodę i stanowisko do badania wytrzymałości adhezyjnej połączeń klejowych w dokumentach wielowarstwowych. Technologia wytwarzania wielowarstwowych dokumentów, w tym zabezpieczonych elektronicznie, zależna jest od materiału poszczególnych warstw oraz kleju łączącego. Każdą technologię, wykorzystującą inny rodzaj kleju, charakteryzuje efekt końcowy w postaci wyrobu wielowarstwowego, którego obszar zastosowania wyznaczany jest między innymi poprzez wytrzymałość adhezyjną poszczególnych warstw. W wyrobach zabezpieczonych elektronicznie wykorzystywanych m.in. w ochronie obiektowej, ochronie danych czy bezpieczeństwie publicznym, właśnie ta cecha nabiera istotnego znaczenia m.in. ze względu na próby fałszowania. Badanie wytrzymałości adhezyjnej połączeń klejowych w dokumentach wielowarstwowych polega na odrywaniu poszczególnych warstw od podłoża w celu określenia minimalnej wartości siły odrywającej. W artykule zaprezentowano rozwiązania konstrukcyjne, istotnych z punktu widzenia poprawności realizowanych procedur oraz ergonomii użytkowania, podstawowych układów wykonawczych. Układ sterowania stanowiskiem oparty na programowalnym sterowniku PLC pozwala na realizację badań w szerokim zakresie zmienności podstawowych parametrów decydujących o końcowej ocenie wyrobu. Wprowadzanie parametrów badań, prowadzenie testów kalibracji siły oraz położenia układów wykonawczych realizowane jest z wykorzystaniem wielofunkcyjnego panelu operatorskiego. W zależności od celu prowadzonych badań urządzenie może pracować w trybie autonomicznym lub w połączeniu z komputerem PC. W trybie pracy z komputerem prowadzona jest archiwizacja wszystkich parametrów testu wraz z przebiegiem siły rozrywania w funkcji przemieszczenia celem dalszego przetwarzania z wykorzystaniem specjalizowanego oprogramowania. Zakres parametrów użytkowych urządzenia, wykraczający poza wynikające z istniejących unormowań, pozwala na zastosowanie nie tylko do bieżącej kontroli procesu produkcji lub kontroli dostaw, ale również do prowadzenia prac rozwojowych związanych z prototypowaniem nowych rozwiązań w obszarze wytwarzania wielowarstwowych dokumentów. Słowa kluczowe: dokument, trwałość, badanie, rozwarstwianie, adhezja Wprowadzenie Technologia wytwarzania wielowarstwowych dokumentów, w tym zabezpieczonych elektronicznie, zależna jest od materiału poszczególnych warstw (papier, folia) oraz kleju łączącego. W obszarze stosowanych połączeń klejowych można wyodrębnić trzy technologie wykorzystujące kleje dyspersyjne (np. wodne) lub termotopliwe oraz wiecznie żywe błony klejowe. Każdą z tych technologii charakteryzuje efekt końcowy w postaci wyrobu wielowarstwowego (rys. 1), którego obszar zastosowania wyznaczany jest między innymi poprzez wytrzymałość adhezyjną poszczególnych warstw [1]. W wyrobach zabezpieczonych elektronicznie (np. w technologii RFID) wykorzystywanych m.in. w ochronie obiektowej, ochronie danych [2, 3] czy bezpieczeństwie publicznym [4], właśnie ta cecha nabiera istotnego znaczenia. Zarówno informacje zawarte w nośniku elektronicznym, jak i same nośniki aplikowane w dokumentach stanowią cel dla prób fałszowania ukierunkowanych na pozyskanie informacji [5] lub nieautoryzowanego dostępu do chronionych obiektów. W związku z tym technologia łączenia poszczególnych warstw powinna zabezpieczać dokument przed umyślnym (np. celem wymiany inletu RFID) lub przypadkowym rozwarstwieniem wynikającym z warunków użytkowania. Rys. 1. Budowa dokumentu wielowarstwowego z zabezpieczeniem elektronicznym Fig. 1. Structure of a multilayered electronically tagged document 38

2 Technologia i Automatyzacja Montażu 1/2014 W Instytucie Technologii Eksploatacji PIB w Radomiu opracowano koncepcję systemu testowania połączeń montażowych w dokumentach z zabezpieczeniem elektronicznym [6]. Jednym z elementów systemu jest urządzenie do badania odporności dokumentu na rozwarstwianie wynikające z naturalnego użycia, jak i próby celowej ingerencji w jego strukturę. Metoda badania Badanie wytrzymałości adhezyjnej połączeń klejowych w dokumentach wielowarstwowych polega na odrywaniu poszczególnych warstw od podłoża w celu określenia minimalnej wartości siły odrywającej. Typowym przykładem dokumentów poddawanych tym badaniom są karty dostępu, np. do kont bankowych. Zgodnie z procedurą, po procesie wstępnej klimatyzacji (temperatura 23 C, wilgotność względna 40% 60%, czas 24 h), w karcie poddawanej weryfikacji zostaje wydzielony obszar badań, obejmujący środkową część karty, oddalony od brzegów o 2 mm (rys. 2). Rys. 2. Karta przygotowana do badań Fig. 2. Card preparation to tests Rys. 4. Sposób badania dokumentu: 1 rdzeń karty, 2 warstwa, 3 płytka stabilizująca, 4 warstwa kleju, 5 rolki prowadzące, 6 uchwyt (taśma) Fig. 4. Document test procedure: 1 core of the card, 2 layer, 3 stabilisation plate, 4 glue, 5 lead rollers, 6 grip (tape) Stałość kierunku odrywania względem podłoża zapewniają dwie rolki o średnicy 10 mm oddalone od siebie na odległość jednego milimetra. Połączenie końca odrywanej warstwy z uchwytem urządzenia może odbywać się z wykorzystaniem elementu pośredniego w postaci elastycznej taśmy przyklejanej do końca badanej warstwy. W celu uniknięcia deformacji podłoża, mogącego wpływać na przebieg badania, dopuszcza się zastosowanie sztywnej płytki stabilizującej łączonej z rdzeniem karty za pomocą warstwy kleju. Podstawą oceny wytrzymałości karty na odrywanie jest minimalna wartość siły odczytana z wykresu (rys. 5) przedstawiającego zarejestrowaną zależność siły od przemieszczenia końca warstwy zamocowanej w uchwycie obciążającym. Obszar badania zostaje podzielony na ponumerowane (celem identyfikacji) próbki o szerokości 10 mm. Wzdłuż granic próbek wykonuje się nacięcia warstwy wierzchniej do podłoża, od którego warstwa będzie odrywana. Następnie krótszy z boków próbki zostaje odchylony od podłoża o kąt 90 na odcinku około 10 mm (rys. 3). Rys. 3. Próbka do badań: 1 rdzeń karty, 2 warstwa Fig. 3. Sample preparation to tests: 1 core of the card, 2 layer Tak przygotowany obiekt badań zostaje umieszczony w urządzeniu do prób rozciągania (rys. 4) zapewniającym zachowanie stałego kąta 90 pomiędzy podłożem i kierunkiem działania siły odrywającej. Rys. 5. Przykładowy przebieg charakterystyki siły odrywającej w funkcji przemieszczenia Fig. 5. Example of the course of characteristics of a tear-off force versus displacement Analizie podlega środkowa część wykresu (z pominięciem początkowego i końcowego pięciomilimetrowego fragmentu) bez uwzględnienia obszarów, w których spadek wartości siły był rejestrowany na odcinku krótszym niż 1 mm. Normatywna procedura zakłada badanie kart przy stałej prędkości liniowej odrywania równej 0,05 m/s. 39

3 Budowa stanowiska Przyjęta metoda i procedura badania wytrzymałości adhezyjnej połączeń klejowych w dokumentach wielowarstwowych zostały wykorzystane do określenia wymagań konstrukcyjnych i funkcjonalnych urządzenia testowego. Zdefiniowano funkcje, parametry techniczne oraz zasadę działania poszczególnych podzespołów urządzenia (rys. 6). prowadzącymi połączony jest z nakrętką mechanizmu śrubowo-tocznego napędzanego serwosilnikiem pozwalającym na realizację ruchu ze ściśle zadaną prędkością. Nieruchomy koniec odrywanej warstwy utwierdzany jest w zacisku modułu uchwytu pełniącego również funkcję pomiaru siły towarzyszącej rozwarstwianiu. Rys. 6. Schemat kinematyczny urządzenia: 1 silnik, 2 mechanizm śrubowy, 3 uchwyt z czujnikiem siły, 4 badana karta Fig. 6. Kinematic diagram of the device: 1 motor, 2 screw mechanism, 3 grip with force sensor, 4 card Na podstawie przyjętych założeń przyjęto podstawowe parametry charakteryzujące urządzenie testowe: wielkość badanego dokumentu: od ID-1 do ID-3 (do 125 x 88 mm), maksymalna siła rozrywająca: 100 N, skok roboczy: 200 mm, zasilanie: 230 V, 50 Hz, liczba jednorazowo badanych dokumentów: 1. Konstrukcję nośną testera tworzy system profili aluminiowych, wyposażonych w rowki montażowe, pozwalających na etapie prototypowania na stosunkowo elastyczne kształtowanie relacji pomiędzy poszczególnymi podzespołami urządzenia. W strukturze urządzenia można wyodrębnić pod względem funkcjonalnym trzy obszary (rys. 7). Pierwszy obszar, chroniony przezroczystymi poliwęglanowymi osłonami, zawiera podzespoły mechaniczne odpowiedzialne za realizację procesu rozwarstwiania: moduł uchwytu oraz moduł stolika. W opracowanym urządzeniu względne przemieszczenie karty i warstwy, niezbędne do realizacji procesu delaminacji, odbywa się poprzez pionowy ruch stolika, na którym spoczywa karta z płytką stabilizującą. Stolik z rolkami Rys. 7. Model urządzenia do testowania wytrzymałości adhezyjnej wielowarstwowych dokumentów: 1 korpus, 2 moduł uchwytu, 3 moduł stolika, 4 panel operatorski Fig. 7. Model of the device for adhesive strength tests for multilayered documents: 1 body, 2 grip module, 3 stand module, 4 control panel Moduł uchwytu (rys. 8) składa się z podstawy, do której zamocowany jest belkowy przetwornik siły wyposażony w element zabezpieczający przed uszkodzeniem w trakcie zaciskania próbki. Drugi koniec belki tensometrycznej połączony jest z parą szczęk z wahliwą nakładką wyposażoną w poprzeczne ząbki zapewniające pewność unieruchomienia odrywanej warstwy. Rys. 8. Moduł uchwytu: 1 podstawa, 2 czujnik siły, 3 bezpiecznik, 4 szczęka wychylna, 5 szczęka stała, 6 nakładka, 7 pokrętło Fig. 8. Grip module: 1 base, 2 force sensor, 3 fuse, 4 moveable jaw, 5 permanent jaw, 6 overlay, 7 knob 40

4 Technologia i Automatyzacja Montażu 1/2014 Zacisk szczęk na badanej próbce realizowany jest za pomocą ergonomicznego pokrętła. W drugim i trzecim obszarze urządzenia umieszczono odpowiednio: panel operatorski i elementy systemu kontrolno-pomiarowego. Prototyp stanowiska Na podstawie opracowanego modelu wirtualnego wykonano prototyp urządzenia do badania wytrzymałości adhezyjnej połączeń klejowych w dokumentach wielowarstwowych (rys. 9). a) b) c) Podsumowanie Zastosowana technologia łączenia poszczególnych warstw oraz użyte materiały w bezpośredni sposób określają odporność dokumentu na rozwarstwianie wynikające z naturalnego użycia, jak i próby celowej ingerencji w jego strukturę. Zbudowane w ITeE-PIB w Radomiu stanowisko badawcze spełnia wszystkie wymagania stawiane urządzeniom przeznaczonym do prowadzenia badań testowych zarówno pod względem powtarzalności badań, jak i ergonomii użytkowania. Zakres parametrów eksploatacyjnych urządzenia pozwala na zastosowanie przy realizacji prac rozwojowych związanych z prototypowaniem nowych rozwiązań w obszarze wytwarzania wielowarstwowych dokumentów oraz bieżącej kontroli procesu produkcji lub kontroli dostaw. Poprawnie funkcjonujący system badań własności użytkowych dokumentów z zabezpieczeniem elektronicznym z wykorzystaniem nowoczesnego instrumentarium badawczego przyczyni się do podniesienia poziomu bezpieczeństwa zarówno powszechnego, jak i związanego z realizacją przedsięwzięć o charakterze logistycznym. Rys. 9. Urządzenie do badania wytrzymałości adhezyjnej połączeń klejowych: a) widok, b) proces badania, c) warstwa częściowo zdelaminowana Fig. 9. Device for adhesive strength tests for glued joints: a) view, b) test, c) partly delaminated layer Praca naukowa wykonana w ramach realizacji Programu Strategicznego pn. Innowacyjne systemy wspomagania technicznego zrównoważonego rozwoju gospodarki w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka. Integralną częścią stanowiska jest system kontrolno- -pomiarowy zbudowany w oparciu o programowalny sterownik PLC. Wizualizację parametrów towarzyszących procesowi rozwarstwiania oraz komunikację sterownika PLC z operatorem zapewnia terminal operatorski. Informacje o stanie urządzenia są wyświetlane w formie komunikatów na zdefiniowanych ekranach dotyczących: wyboru rodzaju wykonywanego testu, stanu zaawansowania testu, możliwości wyboru nastaw, np. prędkości czy informacji o stanach awaryjnych. W zależności od celu prowadzonych badań urządzenie może pracować w trybie autonomicznym lub w połączeniu z komputerem PC. W trybie pracy z komputerem prowadzona jest archiwizacja wszystkich parametrów testu wraz z przebiegiem siły rozrywania w funkcji przemieszczenia celem dalszego przetwarzania z wykorzystaniem specjalizowanego oprogramowania. LITERATURA 1. PN-ISO/IEC : Karty identyfikacyjne. Metody badań. Część 1: Charakterystyki ogólne. 2. Juels A.: RFID Security and Privacy: A Research Survey. IEEE Journal on Selected Areas in Communications 24, 2, Duc D.N., Park J., Lee H., Kim K.: Enhancing Security of EPCglobal Gen-2 RFID Tag Against Traceability and Cloning. In Proc. Symposium on Cryptography and Information Security, Juels A., Molnar D., Wagner D.: Security and Privacy Issues in E-passports. First International Conference on Security and Privacy for Emerging Areas in Communications Networks, 5 9 September 2000, Athens, Greece. 41

5 5. Yifei Liu (et al.): E-Passport: Cracking Basic Access Control Keys with COPACOBANA. OTM Confederated International Conferences CoopIS, DOA, ODBA- SE, GADA, and IS 2007, Vilamoura, Portugal, November Proceedings, Part II. 6. Kozioł S., Zbrowski A., Samborski T., Wiejak J.: Koncepcja systemu testowania połączeń montażowych w dokumentach z zabezpieczeniem elektronicznym. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 4, 2010, s Dr inż. Andrzej Zbrowski Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom, ul. Pułaskiego 6/10, tel , andrzej.zbrowski@itee.radom.pl. Dr inż. Tomasz Samborski, Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom, ul. Pułaskiego 6/10, tel , tomasz. samborski@itee.radom.pl. THE METHOD AND THE DEVICE FOR ADHESIVE STRENGTH TESTS FOR GLUED JOINTS IN MULTILAYERED DOCUMENTS Abstract The article presents the method and stand for testing adhesive strength of glued joints in multilayered documents. The manufacture technology of the aforementioned types of documents includes electronically tagged documents, and depends on the used material of the individual layers, and the type of glue used to join them. Each technology differs in terms of the glue used, and leads to the production of a multilayered product, which area of application is determined, inter alia, by the adhesive strength of every layer. In electronically tagged products that are used, i.e. in security systems, or data protection systems this feature plays an essential role because of forgery attempts. The adhesive strength of the glued joints in multilayered documents is tested by tearing individual layers off the base in order to determine the minimum tear-off force value. The article presents structural solutions that are of key importance from the point of view of a correct execution of the test procedures, the user, and the main executive elements of ergonomics. The control system that base on the programmable PLC controller, enables to conduct tests for a wide range of changeability of basic parameters deciding on the final assessment of the product. A multifunctional control panel enables the parameters to be set, the calibration tests to be performed, and the executive systems to be adjusted. Depending on the purpose of the tests, the device can be operated in an autonomous mode or via the PC. While working with a computer, the test parameters and the course of the tear-off force are recorded and archived in a specialized software, and can be later used at the time of R&D tasks concerning prototyping of new solutions in the area of multilayered document development. Keywords document, endurance, testing, delamination, adhesion 42