二维条码的直接标印方法及其选择因素

唐 亮 宫 磊 张立伟 吴 超

（中航工业综合技术研究所， 北京 100028）

传统的条码标印手段是通过条码打印机将标印信息打印在标签后附在产品上。由于标签易于出现污损、丢失，以及零件太小无法粘贴标签的情况，限制其在恶劣环境下的应用；相对于标牌标签等间接标印方法，直接标印（DPM，Direct Part Marking）技术能够制作在产品全寿命周期内可方便准确识读的条码标印[1]。

零件直接标印技术能够直接在零件表面制作永久的图形和文字，实现零件的永久性标识，用于产品和零部件全寿命周期的跟踪和追溯。应用零件直接标印技术制作二维条码，能够实现数据的自动采集，提高产品跟踪管理和质量追溯的效率。

由于DataMatrix二维条码具备尺寸小、能在低对比度下识读等优点，DataMatrix二维条码成为零件直接标印的优选编码。DataMatrix二维条码的直接标印技术越来越广泛地应用于航空航天、电子与半导体、汽车、军队枪械和资产管理、制药和医疗保健等行业，并形成了一些行业标准和国际标准，如美国航空航天局（NASA）的NASA–STD–6002A用于航空航天器零部件上的DataMatrix条码，以及ISO/IEC TR 24720–2008《信息技术–自动识别和数据采集技术–零组件直接标印（DPM）指南》等。

1 DataMatrix直接标印方法

1.1 直接标印技术

零件直接标印技术是指将标印信息直接制作到零件的表面。根据对表面的破坏与否，分为侵入式（intrusive）和非侵入式（non–intrusive）直接标印[2]。

侵入式直接标印通过雕刻、腐蚀、汽化等方式改变了零件的物理表面，并且将标印符号所产生的缺陷控制在一定范围。采用侵入式直接标引方法之前应对材料进行测试，明确标印工艺操作参数，并征得设计同意。常用的侵入式直接标印方法有：吹砂法（Abrasive Blast），激光蚀刻/雕刻（Laser Etching/Engraving），打点标印（Dot Peen），电化学标印（Electro–Chemical Etching），雕刻（Engraving），金属压印（Stamp Impression）等。

非侵入式直接标印是在零件的制造过程中或通过添加标印介质形成相应的标印符号，并且对于零件的性能没有影响。常用的非侵入式直接标印方法有：整体法（Cast, Forge, or Mold），漆印（Adhesive Dispensing），喷墨法（Ink Jet），丝网印（Silk Screen Marking）等。

1.2 DataMatrix常用标印方法

典型的DataMatrix直接标印方法是通过打点、激光或喷墨方法将DataMatrix条码永久性地标印在金属、塑料、橡胶和玻璃等基体上面。由于不同的方法制作的条码效果不一致，为确保产品标识在全寿命周期的可识读性，HB 9132–2007《用于零件标记的DATA MATRIX码的质量要求》对条码的制作提出严格的质量要求。

1.2.1 打点

打点标印方法通常使用气动或电动驱动的钢针在零件表面产生圆的凹痕[3]。打点标印设备通过计算机控制打印针头在二维平面内按一定轨迹移动的同时，打印针在压缩空气作用下做高频冲击运动，从而在产品表面打印出有一定深度和大小的标记。由于打印针头需要定期打磨维护，会发生耗用，寿命有限。

打点标印符号可读性的关键是压痕点的形状、大小和间隔。点大小和外形大多是由针尖锥角、标印力度和材料硬度决定。产生的凹痕点应该适于吸收或反射光线，并且凹痕点应该足够大，能与粗糙的零件表面区分，同时应该有足够宽的间隔，以适应不同的单元格尺寸、位置和光线情况。

打点标印和识读成功的关键是控制影响过程一致性的变量。必须建立标印过程的操作和维护程序以确保一致的符号质量，并建立定期维护方案检查针尖磨损的问题。

1.2.2 激光

激光标印是使用激光束的热能汽化、融化或改变表面状况的过程。

由于不同材料吸收或反射特定激光的比例不同，需要根据材料的类型选择适用的激光波长。目前已成熟应用的激光器主要有固体激光器、半导体激光器和气体激光器[4]。

典型的固体激光器有Nd:YAG和Nd:YVO4激光器。采用Nd:YAG和Nd:YVO4作为产生激光的介质，将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激光器产生的激光属于红外光频段，波长分别为1 064 nm和1 060 nm。

半导体激光器有时也叫做二极管激光器，以区别固体激光器。二极管电子器件通常非常小，功率较低。通常半导体激光器的输出功率低于20W。

CO2激光器作为典型的气体激光器，产生远红外光频段波长为10 640 nm的激光。CO2激光器采用CO2气体充入放电管作为产生激光的介质，当在电极上加高电压，放电管中产生辉光放电，就可使气体分子释放出激光，将激光能量放大后就形成对材料加工的激光束。

一般应对采用激光标印的所有材料实施过程试验。当激光用于单晶或钛合金材料时，必须提供充分证据，证实标印过程不会影响零部件特性。

1.2.3 喷墨

喷墨是运用带电的墨水微粒，由高压电场偏转的原理，使非常微小的墨滴从喷头中喷出，在各种物体表面上喷印上图案文字和条码，广泛应用于食品、化妆品、医药、汽车等零件加工行业、电线电缆行业、电子行业、烟酒行业以及其他领域。喷墨理论发明于上世纪60年代末，直到70年代末才生产出世界第一台商用喷码机，至今也只有少数几个国家能生产这种喷码机。

根据喷墨工作原理的区别，主要有两种：按需喷印式（Drop-on-Demand）和连续喷印式（Continuous）[4]。

按需喷印式方法通过高精密阀门或压电技术控制墨水通过喷头，在喷印时，字符对应的墨水依靠压力喷出，在相对运动的物体表面形成字符。由于墨水喷射的距离通常不超过3.175mm（1/8 inch），限制了按需喷印式方法在工业DPM标印中的应用。

工业DPM标印应用通常采用连续喷印式（Continuous）方法。其工作原理（图1）是墨滴通过压力从喷嘴不断喷出，通过充电槽分别给墨滴加上不同的电荷，经过两块高压偏转板之间，根据墨滴所带电荷的大小，偏转至相应的垂直位置，在无须打印的墨滴上不施加电荷，直接进入回收管回收。同时，通过调整与物体表面的相对速度控制墨滴的水平位置，最终在物体表面形成字符。

2 标印方法的选择因素

选择直接标印方法时须考虑以下因素[2]。

2.1 零件功能/性能

零件功能是选择标印方法的一个主要因素。关键件推荐采用非侵入式直接标印方法。

2.2 零件几何形状

选择标印表面时应尽量选择平面。若是在圆形或弯曲表面上进行标印，DataMatrix条码的符号覆盖范围应不超过直径的16%（或周长的5%）。

2.3 零件标印区域大小

当可标印区域面积小于一定数值时，除对标印样式做适当选择外，对标印方法及其精度有显著的要求。尤其当采用二维条码时，如果可标印区域小于6.35 mm2时，零件的大小将对标印方法的选择产生很大影响，可选标印方法将显著减少。

2.4 材料类型

表1 条码标印方法对材料的适用性

材料类型是选择标印方法的主要因素，表1给出了常用的条码标印方法对材料的适用性。标印方法的选择须考虑标印对产品或零组件寿命和性能的影响。

2.5 材料硬度

材料硬度对非侵入式直接标印方法没有影响。材料硬度对于采用雕刻、打点或压印方法有直接的影响。金属或合金的硬度超过洛氏硬度35C时，可以直接观测到标印工具的磨损和损坏。

2.6 表面颜色

图2 灰度标尺

表面颜色和标印反差将影响标印的可读性。暗色标印通常用于明色表面，明色标印一般用于暗色表面。标印和基体颜色的灰度差异在标准灰度标尺（图2）中要超过20%。考虑标印在使用环境下随时间退色，最小灰度差异应超过40%。当标印表面的颜色需要改变（涂装），标印应当选择一个颜色不变的区域。

2.7 表面粗糙度/完工状态

除非针对极端的粗糙表面特别设计标印方法，否则标印需要限制表面粗糙度在6.3μm以下。

2.8 零件厚度

当使用侵入式标印方法时，必须考虑零件厚度，从而防止零件的变形或对零件的过度损伤。标印的厚度与标印工艺的热量、温度及应力有关。大多数应用中，标印的深度不能超过零件厚度的1/10。当采用非侵入式标印方法时则无须考虑零件厚度。

2.9 操作环境/生命周期

用户在选择标印方法时，应该使标印在工作环境和生命周期中正常使用，并且保持条码符号的质量至少达到ISO–15415规定的C级[5]。

2.10 打标时间/打标效率的相关因素

● 符号大小（Symbol size）；

● 符号密度（Symbol density）；

● 标印设备（Marking device）；

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

● 数据量（Data input）；

● 零件的移动和定位（Part movement and positioning）；

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

● 操作者的熟练程度（Operator profciency）。

标印方法的选择，应综合考虑以上因素，遵循合理可靠等原则，在工作条件允许时，应选择多种标印方法，可在几种指定的标印方法中任选一种。

3 结束语

本文介绍了DataMatrix二维条码的直接标印方法，分析了选择标印方法需要考虑的因素，为条码在航空制造企业中的应用提供了参考。

我国航空制造业正逐步引入条码标印及其应用，目前航空410厂已成功采用了激光在刀具上实现DataMatrix条码的标印，保证了刀具在生产和加工过程中的信息跟踪和追溯。随着直接标印技术的发展以及条码应用的普及，零部件的条码直接标印在生产跟踪管理与质量追溯中逐渐推广，条码标识在航空制造业中将有更长足的发展。

[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].