二維條碼的直接標印方法及其選擇因素

唐 亮 宮 磊 張立偉 吳 超

（中航工業綜合技術研究所， 北京 100028）

傳統的條碼標印手段是通過條碼打印機將標印信息打印在標簽后附在產品上。由于標簽易于出現污損、丟失，以及零件太小無法粘貼標簽的情況，限制其在惡劣環境下的應用；相對于標牌標簽等間接標印方法，直接標印（DPM，Direct Part Marking）技術能夠制作在產品全壽命周期內可方便準確識讀的條碼標印[1]。

零件直接標印技術能夠直接在零件表面制作永久的圖形和文字，實現零件的永久性標識，用于產品和零部件全壽命周期的跟蹤和追溯。應用零件直接標印技術制作二維條碼，能夠實現數據的自動采集，提高產品跟蹤管理和質量追溯的效率。

由于DataMatrix二維條碼具備尺寸小、能在低對比度下識讀等優點，DataMatrix二維條碼成為零件直接標印的優選編碼。DataMatrix二維條碼的直接標印技術越來越廣泛地應用于航空航天、電子與半導體、汽車、軍隊槍械和資產管理、制藥和醫療保健等行業，并形成了一些行業標準和國際標準，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–自動識別和數據采集技術–零組件直接標印（DPM）指南》等。

1 DataMatrix直接標印方法

1.1 直接標印技術

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

侵入式直接標印通過雕刻、腐蝕、汽化等方式改變了零件的物理表面，并且將標印符號所產生的缺陷控制在一定范圍。采用侵入式直接標引方法之前應對材料進行測試，明確標印工藝操作參數，并征得設計同意。常用的侵入式直接標印方法有：吹砂法（Abrasive Blast），激光蝕刻/雕刻（Laser Etching/Engraving），打點標印（Dot Peen），電化學標印（Electro–Chemical Etching），雕刻（Engraving），金屬壓印（Stamp Impression）等。

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

1.2 DataMatrix常用標印方法

典型的DataMatrix直接標印方法是通過打點、激光或噴墨方法將DataMatrix條碼永久性地標印在金屬、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，為確保產品標識在全壽命周期的可識讀性，HB 9132–2007《用于零件標記的DATA MATRIX碼的質量要求》對條碼的制作提出嚴格的質量要求。

1.2.1 打點

打點標印方法通常使用氣動或電動驅動的鋼針在零件表面產生圓的凹痕[3]。打點標印設備通過計算機控制打印針頭在二維平面內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動，從而在產品表面打印出有一定深度和大小的標記。由于打印針頭需要定期打磨維護，會發生耗用，壽命有限。

打點標印符號可讀性的關鍵是壓痕點的形狀、大小和間隔。點大小和外形大多是由針尖錐角、標印力度和材料硬度決定。產生的凹痕點應該適于吸收或反射光線，并且凹痕點應該足夠大，能與粗糙的零件表面區分，同時應該有足夠寬的間隔，以適應不同的單元格尺寸、位置和光線情況。

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

1.2.2 激光

激光標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，需要根據材料的類型選擇適用的激光波長。目前已成熟應用的激光器主要有固體激光器、半導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作為產生激光的介質，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。

半導體激光器有時也叫做二極管激光器，以區別固體激光器。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，產生遠紅外光頻段波長為10 640 nm的激光。CO2激光器采用CO2氣體充入放電管作為產生激光的介質，當在電極上加高電壓，放電管中產生輝光放電，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。

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

1.2.3 噴墨

噴墨是運用帶電的墨水微粒，由高壓電場偏轉的原理，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，廣泛應用于食品、化妝品、醫藥、汽車等零件加工行業、電線電纜行業、電子行業、煙酒行業以及其他領域。噴墨理論發明于上世紀60年代末，直到70年代末才生產出世界第一臺商用噴碼機，至今也只有少數幾個國家能生產這種噴碼機。

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

按需噴印式方法通過高精密閥門或壓電技術控制墨水通過噴頭，在噴印時，字符對應的墨水依靠壓力噴出，在相對運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DPM標印中的應用。

工業DPM標印應用通常采用連續噴印式（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，經過兩塊高壓偏轉板之間，根據墨滴所帶電荷的大小，偏轉至相應的垂直位置，在無須打印的墨滴上不施加電荷，直接進入回收管回收。同時，通過調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 標印方法的選擇因素

選擇直接標印方法時須考慮以下因素[2]。

2.1 零件功能/性能

零件功能是選擇標印方法的一個主要因素。關鍵件推薦采用非侵入式直接標印方法。

2.2 零件幾何形狀

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

2.3 零件標印區域大小

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

2.4 材料類型

表1 條碼標印方法對材料的適用性

材料類型是選擇標印方法的主要因素，表1給出了常用的條碼標印方法對材料的適用性。標印方法的選擇須考慮標印對產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，可以直接觀測到標印工具的磨損和損壞。

2.6 表面顏色

圖2 灰度標尺

表面顏色和標印反差將影響標印的可讀性。暗色標印通常用于明色表面，明色標印一般用于暗色表面。標印和基體顏色的灰度差異在標準灰度標尺（圖2）中要超過20%。考慮標印在使用環境下隨時間退色，最小灰度差異應超過40%。當標印表面的顏色需要改變（涂裝），標印應當選擇一個顏色不變的區域。

2.7 表面粗糙度/完工狀態

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

2.8 零件厚度

當使用侵入式標印方法時，必須考慮零件厚度，從而防止零件的變形或對零件的過度損傷。標印的厚度與標印工藝的熱量、溫度及應力有關。大多數應用中，標印的深度不能超過零件厚度的1/10。當采用非侵入式標印方法時則無須考慮零件厚度。

2.9 操作環境/生命周期

用戶在選擇標印方法時，應該使標印在工作環境和生命周期中正常使用，并且保持條碼符號的質量至少達到ISO–15415規定的C級[5]。

2.10 打標時間/打標效率的相關因素

● 符號大小（Symbol size）；

● 符號密度（Symbol density）；

● 標印設備（Marking device）；

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

● 數據量（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）。

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

3 結束語

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

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

[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].