二維條碼的直接標(biāo)印方法及其選擇因素

唐 亮 宮 磊 張立偉 吳 超

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所， 北京 100028）

傳統(tǒng)的條碼標(biāo)印手段是通過條碼打印機(jī)將標(biāo)印信息打印在標(biāo)簽后附在產(chǎn)品上。由于標(biāo)簽易于出現(xiàn)污損、丟失，以及零件太小無法粘貼標(biāo)簽的情況，限制其在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用；相對于標(biāo)牌標(biāo)簽等間接標(biāo)印方法，直接標(biāo)印（DPM，Direct Part Marking）技術(shù)能夠制作在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)可方便準(zhǔn)確識讀的條碼標(biāo)印[1]。

零件直接標(biāo)印技術(shù)能夠直接在零件表面制作永久的圖形和文字，實現(xiàn)零件的永久性標(biāo)識，用于產(chǎn)品和零部件全壽命周期的跟蹤和追溯。應(yīng)用零件直接標(biāo)印技術(shù)制作二維條碼，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集，提高產(chǎn)品跟蹤管理和質(zhì)量追溯的效率。

由于DataMatrix二維條碼具備尺寸小、能在低對比度下識讀等優(yōu)點，DataMatrix二維條碼成為零件直接標(biāo)印的優(yōu)選編碼。DataMatrix二維條碼的直接標(biāo)印技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于航空航天、電子與半導(dǎo)體、汽車、軍隊槍械和資產(chǎn)管理、制藥和醫(yī)療保健等行業(yè)，并形成了一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)，如美國航空航天局（NASA）的NASA–STD–6002A用于航空航天器零部件上的DataMatrix條碼，以及ISO/IEC TR 24720–2008《信息技術(shù)–自動識別和數(shù)據(jù)采集技術(shù)–零組件直接標(biāo)?。―PM）指南》等。

1 DataMatrix直接標(biāo)印方法

1.1 直接標(biāo)印技術(shù)

零件直接標(biāo)印技術(shù)是指將標(biāo)印信息直接制作到零件的表面。根據(jù)對表面的破壞與否，分為侵入式（intrusive）和非侵入式（non–intrusive）直接標(biāo)印[2]。

侵入式直接標(biāo)印通過雕刻、腐蝕、汽化等方式改變了零件的物理表面，并且將標(biāo)印符號所產(chǎn)生的缺陷控制在一定范圍。采用侵入式直接標(biāo)引方法之前應(yīng)對材料進(jìn)行測試，明確標(biāo)印工藝操作參數(shù)，并征得設(shè)計同意。常用的侵入式直接標(biāo)印方法有：吹砂法（Abrasive Blast），激光蝕刻/雕刻（Laser Etching/Engraving），打點標(biāo)?。―ot Peen），電化學(xué)標(biāo)?。‥lectro–Chemical Etching），雕刻（Engraving），金屬壓?。⊿tamp Impression）等。

非侵入式直接標(biāo)印是在零件的制造過程中或通過添加標(biāo)印介質(zhì)形成相應(yīng)的標(biāo)印符號，并且對于零件的性能沒有影響。常用的非侵入式直接標(biāo)印方法有：整體法（Cast, Forge, or Mold），漆印（Adhesive Dispensing），噴墨法（Ink Jet），絲網(wǎng)?。⊿ilk Screen Marking）等。

1.2 DataMatrix常用標(biāo)印方法

典型的DataMatrix直接標(biāo)印方法是通過打點、激光或噴墨方法將DataMatrix條碼永久性地標(biāo)印在金屬、塑料、橡膠和玻璃等基體上面。由于不同的方法制作的條碼效果不一致，為確保產(chǎn)品標(biāo)識在全壽命周期的可識讀性，HB 9132–2007《用于零件標(biāo)記的DATA MATRIX碼的質(zhì)量要求》對條碼的制作提出嚴(yán)格的質(zhì)量要求。

1.2.1 打點

打點標(biāo)印方法通常使用氣動或電動驅(qū)動的鋼針在零件表面產(chǎn)生圓的凹痕[3]。打點標(biāo)印設(shè)備通過計算機(jī)控制打印針頭在二維平面內(nèi)按一定軌跡移動的同時，打印針在壓縮空氣作用下做高頻沖擊運(yùn)動，從而在產(chǎn)品表面打印出有一定深度和大小的標(biāo)記。由于打印針頭需要定期打磨維護(hù)，會發(fā)生耗用，壽命有限。

打點標(biāo)印符號可讀性的關(guān)鍵是壓痕點的形狀、大小和間隔。點大小和外形大多是由針尖錐角、標(biāo)印力度和材料硬度決定。產(chǎn)生的凹痕點應(yīng)該適于吸收或反射光線，并且凹痕點應(yīng)該足夠大，能與粗糙的零件表面區(qū)分，同時應(yīng)該有足夠?qū)挼拈g隔，以適應(yīng)不同的單元格尺寸、位置和光線情況。

打點標(biāo)印和識讀成功的關(guān)鍵是控制影響過程一致性的變量。必須建立標(biāo)印過程的操作和維護(hù)程序以確保一致的符號質(zhì)量，并建立定期維護(hù)方案檢查針尖磨損的問題。

1.2.2 激光

激光標(biāo)印是使用激光束的熱能汽化、融化或改變表面狀況的過程。

由于不同材料吸收或反射特定激光的比例不同，需要根據(jù)材料的類型選擇適用的激光波長。目前已成熟應(yīng)用的激光器主要有固體激光器、半導(dǎo)體激光器和氣體激光器[4]。

典型的固體激光器有Nd:YAG和Nd:YVO4激光器。采用Nd:YAG和Nd:YVO4作為產(chǎn)生激光的介質(zhì)，將激光能量放大并整形聚焦后形成可使用的激光束。Nd:YAG、Nd:YVO4激光器產(chǎn)生的激光屬于紅外光頻段，波長分別為1 064 nm和1 060 nm。

半導(dǎo)體激光器有時也叫做二極管激光器，以區(qū)別固體激光器。二極管電子器件通常非常小，功率較低。通常半導(dǎo)體激光器的輸出功率低于20W。

CO2激光器作為典型的氣體激光器，產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外光頻段波長為10 640 nm的激光。CO2激光器采用CO2氣體充入放電管作為產(chǎn)生激光的介質(zhì)，當(dāng)在電極上加高電壓，放電管中產(chǎn)生輝光放電，就可使氣體分子釋放出激光，將激光能量放大后就形成對材料加工的激光束。

一般應(yīng)對采用激光標(biāo)印的所有材料實施過程試驗。當(dāng)激光用于單晶或鈦合金材料時，必須提供充分證據(jù)，證實標(biāo)印過程不會影響零部件特性。

1.2.3 噴墨

噴墨是運(yùn)用帶電的墨水微粒，由高壓電場偏轉(zhuǎn)的原理，使非常微小的墨滴從噴頭中噴出，在各種物體表面上噴印上圖案文字和條碼，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、醫(yī)藥、汽車等零件加工行業(yè)、電線電纜行業(yè)、電子行業(yè)、煙酒行業(yè)以及其他領(lǐng)域。噴墨理論發(fā)明于上世紀(jì)60年代末，直到70年代末才生產(chǎn)出世界第一臺商用噴碼機(jī)，至今也只有少數(shù)幾個國家能生產(chǎn)這種噴碼機(jī)。

根據(jù)噴墨工作原理的區(qū)別，主要有兩種：按需噴印式（Drop-on-Demand）和連續(xù)噴印式（Continuous）[4]。

按需噴印式方法通過高精密閥門或壓電技術(shù)控制墨水通過噴頭，在噴印時，字符對應(yīng)的墨水依靠壓力噴出，在相對運(yùn)動的物體表面形成字符。由于墨水噴射的距離通常不超過3.175mm（1/8 inch），限制了按需噴印式方法在工業(yè)DPM標(biāo)印中的應(yīng)用。

工業(yè)DPM標(biāo)印應(yīng)用通常采用連續(xù)噴印式（Continuous）方法。其工作原理（圖1）是墨滴通過壓力從噴嘴不斷噴出，通過充電槽分別給墨滴加上不同的電荷，經(jīng)過兩塊高壓偏轉(zhuǎn)板之間，根據(jù)墨滴所帶電荷的大小，偏轉(zhuǎn)至相應(yīng)的垂直位置，在無須打印的墨滴上不施加電荷，直接進(jìn)入回收管回收。同時，通過調(diào)整與物體表面的相對速度控制墨滴的水平位置，最終在物體表面形成字符。

2 標(biāo)印方法的選擇因素

選擇直接標(biāo)印方法時須考慮以下因素[2]。

2.1 零件功能/性能

零件功能是選擇標(biāo)印方法的一個主要因素。關(guān)鍵件推薦采用非侵入式直接標(biāo)印方法。

2.2 零件幾何形狀

選擇標(biāo)印表面時應(yīng)盡量選擇平面。若是在圓形或彎曲表面上進(jìn)行標(biāo)印，DataMatrix條碼的符號覆蓋范圍應(yīng)不超過直徑的16%（或周長的5%）。

2.3 零件標(biāo)印區(qū)域大小

當(dāng)可標(biāo)印區(qū)域面積小于一定數(shù)值時，除對標(biāo)印樣式做適當(dāng)選擇外，對標(biāo)印方法及其精度有顯著的要求。尤其當(dāng)采用二維條碼時，如果可標(biāo)印區(qū)域小于6.35 mm2時，零件的大小將對標(biāo)印方法的選擇產(chǎn)生很大影響，可選標(biāo)印方法將顯著減少。

2.4 材料類型

表1 條碼標(biāo)印方法對材料的適用性

材料類型是選擇標(biāo)印方法的主要因素，表1給出了常用的條碼標(biāo)印方法對材料的適用性。標(biāo)印方法的選擇須考慮標(biāo)印對產(chǎn)品或零組件壽命和性能的影響。

2.5 材料硬度

材料硬度對非侵入式直接標(biāo)印方法沒有影響。材料硬度對于采用雕刻、打點或壓印方法有直接的影響。金屬或合金的硬度超過洛氏硬度35C時，可以直接觀測到標(biāo)印工具的磨損和損壞。

2.6 表面顏色

圖2 灰度標(biāo)尺

表面顏色和標(biāo)印反差將影響標(biāo)印的可讀性。暗色標(biāo)印通常用于明色表面，明色標(biāo)印一般用于暗色表面。標(biāo)印和基體顏色的灰度差異在標(biāo)準(zhǔn)灰度標(biāo)尺（圖2）中要超過20%?？紤]標(biāo)印在使用環(huán)境下隨時間退色，最小灰度差異應(yīng)超過40%。當(dāng)標(biāo)印表面的顏色需要改變（涂裝），標(biāo)印應(yīng)當(dāng)選擇一個顏色不變的區(qū)域。

2.7 表面粗糙度/完工狀態(tài)

除非針對極端的粗糙表面特別設(shè)計標(biāo)印方法，否則標(biāo)印需要限制表面粗糙度在6.3μm以下。

2.8 零件厚度

當(dāng)使用侵入式標(biāo)印方法時，必須考慮零件厚度，從而防止零件的變形或?qū)α慵倪^度損傷。標(biāo)印的厚度與標(biāo)印工藝的熱量、溫度及應(yīng)力有關(guān)。大多數(shù)應(yīng)用中，標(biāo)印的深度不能超過零件厚度的1/10。當(dāng)采用非侵入式標(biāo)印方法時則無須考慮零件厚度。

2.9 操作環(huán)境/生命周期

用戶在選擇標(biāo)印方法時，應(yīng)該使標(biāo)印在工作環(huán)境和生命周期中正常使用，并且保持條碼符號的質(zhì)量至少達(dá)到ISO–15415規(guī)定的C級[5]。

2.10 打標(biāo)時間/打標(biāo)效率的相關(guān)因素

● 符號大小（Symbol size）；

● 符號密度（Symbol density）；

● 標(biāo)印設(shè)備（Marking device）；

● 模具（Mask or mold production（if required） ）；

● 數(shù)據(jù)量（Data input）；

● 零件的移動和定位（Part movement and positioning）；

● 零件的卡具（Part holding/clamping (if required））；

● 操作者的熟練程度（Operator profciency）。

標(biāo)印方法的選擇，應(yīng)綜合考慮以上因素，遵循合理可靠等原則，在工作條件允許時，應(yīng)選擇多種標(biāo)印方法，可在幾種指定的標(biāo)印方法中任選一種。

3 結(jié)束語

本文介紹了DataMatrix二維條碼的直接標(biāo)印方法，分析了選擇標(biāo)印方法需要考慮的因素，為條碼在航空制造企業(yè)中的應(yīng)用提供了參考。

我國航空制造業(yè)正逐步引入條碼標(biāo)印及其應(yīng)用，目前航空410廠已成功采用了激光在刀具上實現(xiàn)DataMatrix條碼的標(biāo)印，保證了刀具在生產(chǎn)和加工過程中的信息跟蹤和追溯。隨著直接標(biāo)印技術(shù)的發(fā)展以及條碼應(yīng)用的普及，零部件的條碼直接標(biāo)印在生產(chǎn)跟蹤管理與質(zhì)量追溯中逐漸推廣，條碼標(biāo)識在航空制造業(yè)中將有更長足的發(fā)展。

[1] ISO/IEC TR 24720-2008(E)： Information Technology – Automatic Identifcation and Data Capture Techniques - Guidelines for Direct Part Marking (DPM)[S].

[2] NASA-STD-6002A Applying Data Matrix Identifcation Symbols on Aerospace Parts[S].

[3] SAE AS9132A Data Matrix Quality Requirements for Parts Marking[S].

[4] AIAG B-17 2D Direct Parts Marking Guideline [S].

[5] ISO/IEC CD 15415 Information Technology –Automated Identifcation and Data Capture Techniques- Bar Code Symbol Print Quality Test Specifcation - Two-Dimensional Symbols[S].