Die Diebstahlschutztechnologie basiert auf amorphen akustomagnetischen Etiketten.
Wenn wir einen Supermarkt betreten, können wir feststellen, dass jedes Produkt über ein diebstahlsicheres Design verfügt, das auf der Anwendung von amorphem akustomagnetischem Material basiert.
In unserem Geschäftssystem ist die elektronische Warensicherung (EAS) weit verbreitet. Im Alltag begegnen uns sechs Arten von EAS-Systemen: elektromagnetische, Mikrowellen-, Funkfrequenz-, intelligente und akustomagnetische Systeme. Akustomagnetische Systeme sind aufgrund ihres niedrigen Preises, ihrer einfachen Handhabung und ihrer hohen Detektionsrate am weitesten verbreitet.
I. Was ist akustomagnetisch?
Acousto Magnetic basiert auf dem Prinzip, dass amorphe Legierungsbänder aufgrund ihres hohen Magnetismus (elastischer Kopplungskoeffizient) starke Resonanzsignale aussenden. In den meisten Fällen besteht Acousto Magnetic aus Detektor, Decoder, Sensorik usw. Der Detektor sendet alle 20 Millisekunden eine 58-kHz-Impulswelle aus. Testet der Detektor fünfmal nach der Impulswelle ein Resonanzsignal, und weisen alle fünf Signale die gleiche Stärke und Frequenz auf, ertönt der Alarm. Sind die Signale innerhalb einer Sekunde nicht identisch, ertönt kein Alarm. Diese Technologie gewährleistet die Genauigkeit des Alarms. Der Decoder reduziert die Stärke des Resonanzsignals durch Entmagnetisierung der Vormagnetisierungsschichten in der Diebstahlsicherung, sodass der Alarm nicht auslöst.
Die akustomagnetische Technologie wird seit über 20 Jahren in Diebstahlsicherungen eingesetzt. Das US-Patent US4510489 beschreibt, dass bestimmte amorphe Bänder, wie beispielsweise FeNiMoB, aufgrund ihres hohen Magnetismus starke Resonanzsignale aussenden können. Dieses Prinzip wird erfolgreich in kommerziellen Diebstahlsicherungssystemen angewendet. Das amorphe Band dient als Resonator, und die Vorspannungsschichten bestehen aus halbhartmagnetischen (US5729200) oder weichmagnetischen Materialien (US7626502). Es gibt nur wenige Forschungsarbeiten zu akustischen Magnetetiketten.
II. Akustisch-magnetische Theorie: Magnetostriktive Wirkung
Unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds ändert sich die Größe des ferromagnetischen Materials. Nach Entfernung des Magnetfelds nimmt es wieder seine ursprüngliche Länge an. Magnetostriktive Materialien hingegen erfahren aufgrund des Magnetfelds eine lineare Längenänderung, die zu einer Auslenkung führt. Alternativ können sie sich unter dem Einfluss eines Wechselfelds wiederholt ändern und so Schwingungen oder Schallwellen erzeugen. Solche Materialien können elektromagnetische Energie in mechanische oder akustische Energie umwandeln. Umgekehrt kann auch mechanische Energie in elektromagnetische Energie umgewandelt werden. Ersteres wird als magnetostriktives, Letzteres als magnetoelastisches Phänomen bezeichnet.
Unter bestimmten Bedingungen verändern Ferrit-Magnetmetalle ihre Länge, was auf die Verschiebung zwischen den Atomen beim Magnetisieren zurückzuführen ist. In einem Wechselfeld schwingt ein magnetostriktives Metallband entsprechend der Frequenz des Wechselfelds. Stimmen die Frequenz des Wechselfelds und die Resonanzfrequenz des Metallbands überein, tritt Resonanz auf, wenn die Amplitude ihr Maximum erreicht. Dies ist besonders deutlich bei der Perm-Legierung (Fe-Ni) zu beobachten.
Andererseits ist dieser magnetostriktive Effekt reversibel, was auf Piezomagnetismus zurückzuführen ist. Stimmt die Frequenz des Wechselfeldes mit der Resonanzfrequenz des Metallstreifens überein, beginnt dieser zu schwingen. Wird das Wechselfeld abgeschaltet, schwingt der akustische Magnetstreifen kurzzeitig gedämpft nach, ähnlich einer Stimmgabel, und gibt ein Resonanzsignal ab. Dieses kann, als Erweiterung des Wirkungsbereichs des Wechselfeldes, mit einem Empfänger gemessen werden. Der magnetostriktive Effekt lässt sich durch den magnetostriktiven Koeffizienten λ beschreiben: λ = (LH - L0)/L0, wobei L0 die ursprüngliche Länge des Materials und LH die Längenänderung unter dem Einfluss des externen Magnetfelds ist.
Magnetomechanischer Kopplungsfaktor K
Wenn ein amorpher Streifen durch ein alternierendes Magnetfeld unter dem Einfluss eines vorgespannten Magnetfelds angeregt wird, findet im Inneren des Streifens ein Energieaustausch zwischen magnetischer und mechanischer Energie statt. Dies wird als Energieaustausch bezeichnet. Die magnetomechanische Kopplung wird anhand des Faktors K nach folgenden Kriterien bewertet. Der Kernbestandteil des akustischen Magnetlabels ist eine amorphe Legierung (Perm-Legierung).
Gemäß der phänomenologischen Theorie wird der Faktor k wie folgt ausgedrückt: Die Formel für die Resonanzfrequenz Fr und FA für die Antiresonanzfrequenz.
Offenbar besitzt das Label einen Resonanz- und einen Antiresonanzpunkt und kann unter einem schwachen Magnetfeld ein starkes Resonanzsignal erzeugen. Die deutliche Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Punkten deutet auf einen hohen magnetomechanischen Kopplungsfaktor hin. Die scharfe Resonanzkurve weist auf einen hohen Gütefaktor, eine geringe Bandbreite und eine starke Selektivität des Labels hin. Durch Anlegen eines geeigneten Magnetfelds und die Schaffung optimaler Betriebsbedingungen lassen sich somit ein hohes Resonanzsignal und eine hohe Frequenzstabilität erzielen.
Stimmgabeleffekt
Das akustische Magnetetikett besteht aus einem kleinen Kunststoffgehäuse mit den Maßen ca. 40 mm Länge, 8–14 mm Breite und 1 mm Tiefe. Im Gehäuse befindet sich eine Stimmgabelstruktur aus zwei Arten von Metallstreifen: einem festen, starren Metallstreifen und einem frei schwingenden, amorphen Streifen. Aufgrund des speziellen Materials und der Struktur des Etiketts besitzt es eine bestimmte Resonanzfrequenz. Stimmen die Frequenz des angelegten Wechselfelds und die Resonanzfrequenz des Etiketts überein, tritt Resonanz auf. Nach dem Abschalten des Wechselfelds führt das Etikett aufgrund von Magnetostriktion und Piezomagnetismus weiterhin eine gedämpfte Schwingung aus. Dabei findet eine Umwandlung von magnetischer und mechanischer Wechselenergie statt, was zu einer Dämpfung des Resonanzsignals führt. Es handelt sich hierbei um ein zusammengesetztes akustisch-magnetisches Signal.
Die Arbeitsfrequenz eines typischen akustischen Magnetetiketts beträgt 58 kHz, das Stimmgabelsignal ist wie eine Ultraschallwelle und verfügt daher über eine starke Störfestigkeit und eine hohe Durchdringungskraft, wodurch das Etikett brillanter ist als andere Etiketten.
Die Identifizierung mittels Stimmgabeleffekt beruht auf der Umwandlung von elektromagnetischer in mechanische Energie. Da der Wirkungsgrad magnetischer Geräte jedoch sehr gering ist, wird eine hohe Sendeleistung benötigt. Typische Werte, wie beispielsweise die minimale Magnetfeldstärke zur Aktivierung, liegen über 16 A/m, weshalb die Antenne des akustischen Magnetlabels sehr groß sein muss.
III. Gegenwärtige Lage im In- und Ausland
Resonatoren und Bias-Filme sind die Schlüsselkomponenten des akustomagnetischen Labels. Der Resonatorfilm besteht aus amorphen Streifen auf Eisen- und Eisen-Nickel-Basis. Zusammensetzung, geometrische Größe und Form des Resonators, Wärmebehandlungsbedingungen und die Anzahl der Resonatorplatten beeinflussen die akustomagnetischen Eigenschaften des Labels maßgeblich. Der Bias-Film besteht häufig aus halbhartmagnetischem Material. Seine Eigenschaften beeinflussen die Frequenz des Labels und entscheiden darüber, ob das akustomagnetische Label getestet und dekodiert werden kann. Daher wird weiterhin an den Materialien für Resonator und Bias-Film geforscht.
Patent WO2007143707 schlägt eine neuartige Zusammensetzung der Resonanzplatte vor, bei der es sich vermutlich um ein amorphes Band aus FeaNIbMc handelt (wobei M eines von Co, C, B, P usw. oder eine Kombination mehrerer ist, A + b + c = 100, ein im Bereich von 40 bis 70 Gew.-%, b in 10 bis 50 Gew.-%, c in 10 bis 50 Gew.-%) kann durch Tempern in einem 300 Grad heißen Magnetfeld für mindestens eine Stunde eine ähnliche Klang- und magnetische Eigenschaft wie bei den heute auf dem Markt üblichen Materialien erzielt werden, gleichzeitig werden aber die Herstellungskosten des Resonanzfilms erheblich reduziert.
Patent US6057766 offenbart ein eisenbasiertes magnetostriktives Material, das sich als Resonanzelement mit einem magnetoelastischen Kopplungskoeffizienten zwischen 0,28 und 0,4 eignet. Der Eisengehalt liegt zwischen 45 und 82 Gew.-%, der Rest besteht hauptsächlich aus Kobalt, Nickel und einigen glasbildenden Elementen. Patent US 6,181,245 offenbart ein Material für eine Vorspannungsfolie mit niedriger Koerzitivfeldstärke, das die Dekodierung eines akustomagnetischen Tags über größere Entfernungen ermöglicht. Patent US 6,689,490 offenbart ein halbhartmagnetisches Material, das sich für die Verwendung in einer Vorspannungsfolie eines akustomagnetischen Labels eignet und 8 bis 25 Gew.-% Nickel, 1,5 bis 4,5 Gew.-% Aluminium und 0,5 bis 3 Gew.-% Titan enthält, der Rest ist Eisen. Dieses halbhartmagnetische Material unterscheidet sich von herkömmlichen Vorspannungsmaterialien und zeichnet sich durch sehr gute magnetische Eigenschaften und hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Darüber hinaus eignet es sich bei der Herstellung sehr gut für die Kaltverformung und das Anlassen.
IV: Verwandte Unternehmen
Obwohl weltweit derzeit Resonanz- und Magnetfolien entwickelt werden, produzierte bisher nur ein US-amerikanisches Unternehmen Hochleistungs-Ton- und Magnetfolien, die den Marktanforderungen entsprachen. Die Herstellungstechnologie, insbesondere die Herstellung von Magnetfolien aus halbhartmagnetischen Legierungsstreifen, war viele Jahre monopolisiert. Der Herstellungsprozess ist komplex; weltweit gibt es nur zwei qualifizierte Anbieter: ein deutsches Unternehmen für Vakuummetallurgie und ein US-amerikanisches Unternehmen für Spezialstahl. In China gibt es lediglich ein Unternehmen, das amorphe weichmagnetische Materialien für die Magnetfolien verwendet. Die Herstellung von halbhartmagnetischen Magnetfolien mit Magnetfolien befindet sich im Wesentlichen noch in der Entwicklungsphase.
V. Marktgröße und Prognose
Als eines der fortschrittlichsten elektronischen Alarmsysteme weltweit findet die akustomagnetische Technologie breite Anwendung in verschiedensten Bereichen. Gleichzeitig streben europäische Länder die Einführung von Herkunftskennzeichnungen an, die Hersteller verpflichten, die Produkte bereits bei der Produktion mit Diebstahlsicherungen zu versehen. Dies soll die Produktionskosten senken und die Verwendung der Kennzeichnungen fördern.
Infolgedessen liegt der Einsatz von akustomagnetischen Etiketten bei etwa 8 Milliarden, das Transaktionsvolumen bei über 200 Millionen US-Dollar, und das jährliche Nachfragewachstum blieb bei 25 %, was einem sehr breiten Marktpotenzial entspricht.
Die Technologie zur Etikettenherstellung war jedoch fast fünf Jahre lang ein Monopol eines US-amerikanischen Unternehmens. Obwohl einheimische Unternehmen mit starken Diebstahlsicherungsetiketten einen Marktanteil von unter 2 % erreichten, dominierten sie derzeit den Markt für akustische und magnetische Diebstahlsicherungsetiketten und arbeiteten an deren Verbesserung. Mit dem Fortschritt der Forschung halten diese Technologien Einzug in unseren Alltag; amorphe akustomagnetische Sicherheitssysteme werden uns zunehmend mehr Sicherheit bieten.
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