不同材料喷码标印Data Matrix码的影响因素分析及其质量控制

不同材料喷码标印Data Matrix码的影响因素分析及其质量控制
作者：林萍
来源：《科技资讯》 2013年第35期
林萍
（中国人民武装警察部队学院消防工程系七队河北廊坊 065000）
摘要：为了提高喷码标印Data Matrix(DM)码的应用范围和喷码质量,通过实验研究了纸张、塑料、铝合金等不同材料对喷码标印的适用性，具体分析了不同颜色、表面粗糙度及纹理对DM码的影响，研究了喷码在铝合金标印时的耐久性。

论证了不同材料喷印DM码的有效性和可行性，得到了喷印DM码质量的控制方法和具体参数范围。

结果表明，改进后得到的DM码使用ISO16022标准检验质量良好。

关键词：喷码标印 DM码质量 DM码耐久性
中图分类号：TP391
文献标识码：A
文章编号：1672-3791(2013)12(b)-0000-00
0引言
全球的产品标识及喷码技术日益发展，自从上世纪80年代末第一台喷码机进入中国市场以来，由于其具有非接触式标识，速度较快，在绝大多数包装材料上具有良好的附着性，并且能喷印时实的时间日期和可变信息等特点，其应用已经从当初的食品业扩展到了化妆品、医药、电子电气等多个行业，而喷码标印Data MaTrix(DM)码技术，是将特殊的墨水通过喷印的方式在产品表面形成DM码的一种标识技术，与其他的二维码标印方式比较，喷码标印对产品表面无损伤，一般喷码机都能够连续喷印可实现流水线作业，因而具有较好的发展和应用前景。

美国宇航局（NASA）对喷码标印DM码时表面处理方式、粗糙度要求[1]及喷码标印DM码的失效方式做了部分说明，但未见可应用于实际标印的参数指标。

目前，喷码标印DM码的研究较少，一些研究人员针对喷码标印对纸张吸附性、光滑度的要求、及墨滴在纸张表面铺展扩散的内部分析进行了研究，郑年木采用DOE方法进行了喷印条形码可读性的改善研究[2]。

对纸质喷印文字的研究较为广泛，也有研究者得到了一些关于喷头、打标参数对条码质量的影响程度分析结果。

基于上述的研究状况，本文针对喷码标印DM码在不同材料上进行DM标印时的质量进行了详细分析，深入研究了颜色、粗糙度、纹理等对条码质量的影响，并结合喷码机的参数，给出了喷码标印DM在各种材料的适用性，具体喷印参数范围和要求。

提高了喷码标印DM的质量，给出了不同表面喷印时的表面参数要求和具体规范。

1 不同材料表面亮度对条码对比度的影响
由于喷码标印DM码不对材料表面造成缺陷和破坏，因此DM码的表面高度变化不明显，采取粗糙度测量仪（型号ISR-S25）对各种材料的DM码的高度进行观测表明，DM码的厚度基本没有改变材料的粗糙度（Ra均为初始值），因此对DM码的对比度产生影响的主要因素是材料本身的亮度值与喷码标印的颜色的亮度值的差值。

条形码是通过光线照射在条和空上，并产生不同的反射率来进行识读的。

其识读率主要取决印刷条和空白条的差异。

条空印刷对比度（Print Contrast Signals，即PCS）是指条形码的空和条的亮度反射率之差与空的亮度反射率的比率，它是衡量条形码符号的光学指标之一。

条形码的对比度计算公式如下：
式中：为空的反射率；为条码的反射率。

条码的反射率越低越好，空的反射率越高越好。

条形码的值越大，则表明条形码的光学特性越好，识读率就比较高。

一般来说，当条形码的值在67%-100%的范围之内时，就能够被条形码扫描设备正确识读。

由于DM喷印不会造成表面物理状态的改变，因此对比度的变化主要取决于材料表面的颜色亮度与墨水亮度的差值，按照由浅入深的顺序抽取了8种颜色，通过实验得到表1，从表中可以看出，随着颜色的加深，对比度逐渐下降，码的质量变差。

其他未选择颜色的对比度值应当参考表中的颜色对比度。

表1 颜色和亮度对DM码打印对比度的影响
颜色
纯白色
灰白色
纯黄色
红色
蓝色
绿色
灰褐色
黑色
对比度
86%
74%
67%
55%
38%
42%
无法识读
无法识读
亮度
明亮
明亮
明亮
较亮
较亮
较亮
较暗
较暗
2 材料表面粗糙度及纹理对DM码打印增长的影响
喷码标印DM码时，是液体和固体之间结合，因此对表面粗糙度有一定的要求，NASA-HDBK-6003C-2008[1]中对喷码标印粗糙度未能给出具体的说明。

通过对铝合金材料（LD10CZ）不同的表面粗糙度的喷码标印试验，得出粗糙度对喷码标印DM质量的影响主要体现在以下几点：
粗糙度影响喷码标印DM码X方向、Y方向的打印增长，不同的粗糙度影响的程度不同。

为了排除喷码机参数带来的影响，我们设定喷码标印的所有参数都相同，分别对不同粗糙度的铝合金表面进行喷码实验（参见图1），并采用校验仪读取条码的质量，结果显示粗糙度不断增加，条码的打印增长也逐渐增加，但X方向与Y方向增长的速度并不相同，进一步研究表明，墨水在粗糙表面的扩散速度和范围要较光滑表面大得多。

图1中当Ra值超过6.4及以上时，喷码在铝合金表面的扩散变得非常严重，直接影响到条码的识别和质量。

图1c中黄色圈出的部分可以明显看出因为打印增长的增加使得条码中黑块聚集的地方融为一体，较难以读取以便获得正确的条码内容，这在条码使用过程中是不允许的。

对部分材料系统性研究之后得到下表：通过表格可以看出相同粗糙度时回转纹理所产生的打印增长误差要明显大于单向纹理加工，喷码标印DM码时应当参考表3的粗糙度要求。

a．Ra=3.2
b. Ra=6.4
c. Ra=8.8
粗糙度水平（Ra）
1.6±0.2
3.2±0.2
6.3±0.2
8.8±0.2
纹理方向
回转
单向
回转
单向
回转
单向
回转
单向
X向打印增长
-6%
-4%
8%
9%
23%
22%
29%
34%
Y向打印增长
-4%
-3%
6%
2%
19%
5%
30%
-10.4%
表2粗糙度和纹理方向对打印增长的影响
进一步研究粗糙度对打印增长的影响机理，发现粗糙度对X与Y向的影响程度并不相同，一般与条码喷印的表面纹理方向密切相关，为研究方便，我们简化条件，使得条码Y向与纹理走向一致，X向与纹理走向垂直。

图2是光学显微镜拍摄到的1000倍情况下的喷码标印Ra8.8的铝合金材料的喷印DM码的局部图片，借助光学显微镜测量，纹理方向的增长距离，法向墨滴铺展尺寸,墨滴铺展轮廓圆的半径，计算分别得到X向与Y向增长量和增长率：
进一步解释了X/Y打印增长分布不均匀的原因。

3 复杂环境下喷码的耐久性
墨滴喷印于材料表面后，对不同环境下的适用性和有效性并未被很好的研究，下面的内容
主要通过化学腐蚀和物理冲击的典型实验，研究喷码在复杂环境下的耐久性。

3.1化学腐蚀（盐雾腐蚀）
通常情况下的盐雾腐蚀主要是指盐雾中的氯化钠对金属进行的腐蚀,执行标准主要
ASTM_B117-97。

NaCl是一种很强的电解质，极易吸潮，在水中完全电离，电离后形成氯离子和
钠离子，盐雾对金属材料表面的腐蚀，是由于氯离子所造成的，它有强烈的穿透本领。

很容易
穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应，引起腐蚀。

当盐雾沉降到金属表
面时，由于其含有水气作用，首先形成一层盐水膜将整个金属表面罩住，这时，金属面相当于
浸在含有氧的氯化钠溶液中，金属的表面会构成原电池的两个极，产生腐蚀。

图3是铝合金表
面腐蚀40小时效果对比图，条码的本身并未发生明显破坏，而基体铝合金却发生了严重的腐蚀破坏，条码等级随着时间变化由高降到低，从A逐渐降到F,持续时间在40个小时左右，也同
样说明喷码打标具有良好的耐盐雾腐蚀性。

这是由于喷在铝合金表面的DM码本身并没有被腐蚀，被腐蚀的是铝合金的基体部分，而盐雾对于所喷的条码本身影响并不是很大，所以实验只有腐
蚀到了一定程度，由于基体本身的影响，使得条码对比度下降，才会导致不可读。

对塑料和复
合材料条码在盐雾条件下的耐久性更好。

3.2物理冲击（冲蚀和磨损）
冲蚀试验中，主要是由于冲蚀颗粒持续冲击试样表面，对试样表面造成损伤。

而磨损试验
时通过磨轮反复刮擦材料表面形成破坏。

图4是冲蚀腐蚀、磨损前后对比效果，后者对喷码DM
码的质量造成不可修复的损伤，迅速影响到DM码的质量和有效性，喷码DM码在物理冲击下的
耐久性较差，与激光DM码试验结果比较，相同实验条件下破坏速度和程度都要大的多，其失效方式主要是对比度迅速下降和图像信息丢失。

因而在存在冲蚀或者磨损条件下，不应当选用喷
码方法标印DM码。

3．3 与激光DM码耐久性的比较
喷码打标在磨损、冲蚀实验条件下，与激光打标相比，在很短时间内就会失效，而激光打
标在盐雾腐蚀条件下只能保持10个小时的有效性，相比于喷码打标又差很多。

所以，我们要能够在特定的环境下选择特定的打标方式，还可以采取一些其他的保护措施。

如对于激光打标在
盐雾的作用下耐腐蚀差的情况，我们可以采用喷漆，添加涂层等方法提高其耐腐蚀性，或采用
喷码打标等耐盐雾腐性强的打标方式，而在一些磨损或冲蚀较严重的环境条件下，应避免采用
喷码打标的方式，防止条码在短期内失效。

4 结论
本文针对喷码标印DM码技术，分别从材料颜色、材料粗糙度和纹理两个方面研究了不同材料喷印DM时的质量差异，具体针对DM的打印增长和对比度指标提出了相关的要求，给出合理的使用值和范围，通过研究提高了喷码标印DM的标印质量；对条码在复杂环境下的耐久性进行了研究，在化学腐蚀条件下可使用喷码标印DM码，而在物理冲击下失效较快，失效形式主要为物理冲击。

参考文献
[1] National Aeronautics and Space Administration.NASA-HDBK-6003C-
2008[S].Washington DC. 2008.06.
[2] 郑年木.DOE方法在喷码机喷印条形码可读性改善中的应用[D].上海:上海交通大学工业工程专业，2008.。