用于产品防伪与可追溯的激光打标和机器视觉码

用于产品防伪与可追溯的激光打标和机器视觉码

对含机器视觉码的永久性直接零件标识的工业制造需求正呈指数级增长。直接零件标识可实现产品从制造之日起直至使用寿命结束的全程追踪。这一需求源于对部件可追溯性和产品唯一标识（UID）日益增长的要求。“9·11”事件之后，制造商纷纷实施相关策略，以建立可追溯性并防止产品被篡改和仿冒。美国国防部（DoD）以 MIL-STD-130M 作为军用财产的标准规范。除国防部的军用要求外，汽车、包装、制药、电子和消费品等领域的商用工业产品制造商也在积极采用类似标准。

含唯一标识信息的直接零件标识需要喷墨、点针打标和激光打标等数字化工艺技术。对于许多三维塑料产品，激光是首选方法，因为该工艺可产生高对比度的永久性标记，无需昂贵的耗材墨水/溶剂，也无需后固化。此外，激光还能打出最小尺寸的机器视觉码。这对于微标记，或零件、部件上可用于标记字母数字、徽标或示意图的表面积有限时十分重要。稳健的六西格玛制造运营要求所有产品的标记无论尺寸和细节复杂程度如何，都必须 100% 可被人眼或机器视觉读取。

要点

• 直接零件标识可追踪产品从制造到寿命终结的全过程，这正是唯一标识所要求的。
• MIL-STD-130M 是美国国防部标准，从汽车到包装的商业领域也已纷纷跟进。
• 在编码数据量相同的情况下，Data Matrix 码的尺寸仅为条形码的 1/10 至 1/100。
• 冗余是设计使然：数据分散于整个符号之中，并带有纠错功能，可从损伤中恢复。
• 在发动机舱内的汽车燃油部件上，四分之一英寸的码大约 200 毫秒即可打标完成。

常见问题

什么是机器视觉码？

由光学扫描仪或相机解读的编码信息。常见的一维条形码以浅色背景上的深色对比度表示数据，形成高、低反射率并转换为 1 和 0，数据存储于平行线条的宽度和间距之中。较新的图案则采用点阵、同心圆以及隐藏在图像中的文字。

小型零件为什么使用 Data Matrix 码而不是条形码？

体积小且抗损伤能力强。在编码数据量相同的情况下，Data Matrix 码的尺寸仅为条形码的 1/10 至 1/100，因此很小的零件表面即可承载大量制造数据。每个码约一半为黑、一半为白，单元受损而不影响可读性的概率为 50/50，且纠错功能有助于从缺陷中恢复。

哪些塑料通常需要做可追溯标记？

缩醛（聚甲醛）、尼龙、聚烯烃、聚碳酸酯、聚酯和苯乙烯类塑料——它们都是化学惰性、非极性且表面能较低的材料，这正是激光打标优于需要预处理和固化的油墨类工艺的原因。

发动机舱内汽车部件上的码承载哪些数据？

完整的部件可追溯信息：树脂批次、注塑机、日期、班次和时间，以及装配泄漏测试结果。四分之一英寸的码大约 200 毫秒即可打标完成。

是什么推动了直接零件标识的增长？

可追溯性和唯一标识要求。“9·11”事件之后，制造商实施了建立可追溯性、防止篡改和仿冒的策略，MIL-STD-130M 成为美国国防部的标准规范，商用制造商也采纳了同类标准。

什么是机器视觉码？

机器可读（视觉）码是可通过光学扫描仪或相机解读的编码信息。常见的例子是一维“条形码”，它以信息的形式呈现，通常为浅色背景上的深色对比度，形成高、低反射率并转换为 1 和 0。最常见的条形码格式将数据存储在印刷的平行线条（黑白条纹）的宽度和间距中。不过，点阵、同心圆以及隐藏在图像中的文字码等较新图案也在使用。在美国，UPC（通用产品代码）是零售和消费品领域最知名、应用最广泛的条形码。

尽管现代条形码方案可以包含 ASCII 字符集，但电子、航空航天、汽车、制药等制造领域需要更为先进的机器视觉码。在更小空间内编码更多信息的持续需求，促成了二维“Data Matrix”码的发展。Data Matrix 码无法用激光（条形码所用）读取，因为通常没有能够覆盖整个符号的扫描路径，必须使用相机采集设备扫描。二维 Data Matrix 是专为解决条形码局限性而设计的革命性机器可读码。图 1 展示了二维 Data Matrix 与条形码的差异。

二维码与条形码的对比

二维 Data Matrix 码非常适合小型零件标记，并专为耐受恶劣的工业环境而设计。在编码数据量相同的情况下，Data Matrix 码的尺寸仅为条形码的 1/10 至 1/100。因此只需极小的零件空间，即可容纳大量用于产品可追溯的制造数据。每个码约一半为黑、一半为白，单元受损而不影响可读性的概率为 50/50。Data Matrix 的高冗余度（数据分散于整个符号）和对印刷缺陷的抗性使其极为可靠。算法内置的纠错方案进一步优化了从符号损伤中恢复的能力。图 2 对比了 Data Matrix 码与条形码。

激光打标

本节重点介绍在三维塑料制造的零部件和组件（包括缩醛、尼龙、聚烯烃、聚碳酸酯、聚酯、苯乙烯类塑料等）上使用二维 Data Matrix 码。这些塑料化学惰性强、非极性且表面能低。对于直接零件标识，Nd:YAG 激光器相比喷墨等需要表面预处理和固化的油墨类工艺具有优势。波长 1064nm（近红外光谱）的振镜扫描式 Nd:YAG 激光器（“YAG”）凭借其发射波长、功率性能和多功能性，在激光打标行业广受欢迎，可带来更快的打标速度、更高的质量和更大的产量。

作为参照，连续波（CW）CO2 激光器的工作波长为 10.6 µm（远红外光谱）。CO2 激光器产生的峰值功率远低于 YAG 激光器，因此无法在大多数塑料上产生高对比度标记。需要说明的是，CO2 激光器常用于在标签、纸质材料上打标条形码和矩阵码，以及油墨烧蚀。

激光打标的机理是用局部高能辐射源（激光）照射聚合物。辐射能被材料吸收并转化为热能，热能引发材料内部发生反应。并非所有振镜扫描式 YAG 激光器都是一样的。

激光器制造商在其系统中采用的硬件和软件组件，对打标质量和速度有着重大影响。首要指标是打标表面的功率密度（瓦/cm2），它不同于激光器的原始输出功率。振镜扫描式 Nd:YAG 激光打标机（弧光灯和二极管光源）利用安装在高速计算机控制振镜上的反射镜，引导激光束在待打标表面上移动，就像用铅笔在纸上书写一样。Y 轴和 X 轴各有一个振镜，共同提供打标场内的光束运动。平场透镜组件将激光聚焦，在基材表面获得高功率密度。图 3 展示了采用计算机控制振镜的光束传输系统。

激光束的输出模式对打标性能至关重要。制造商可提供多模、TEM00（横向电磁模）或介于两者之间的激光，包括低阶模。这些输出模式与光束发散度以及沿光束直径方向的功率分布等因素有关。低阶模和 TEM00 模激光器能获得很小的聚焦光斑，从而形成边缘清晰的极细线条，因此特别适合对 Data Matrix 码和条形码、单笔画字母数字、填充式 TrueType 字体以及复杂图形进行高速矢量打标。

功率密度取决于激光聚焦光斑的大小。对于任意给定焦距的透镜和激光波长，聚焦光斑大小取决于激光束发散度，而发散度由激光器结构、选模光阑孔径和扩束镜（束扩展器）倍率控制。脉冲重复频率（通过声光 Q 开关实现）和峰值功率密度是形成标记、获得最佳对比度和速度的关键参数。低频下的高峰值功率使表面温度迅速升高，使材料汽化，同时传入基材的热量极少。随着脉冲重复频率升高，较低的峰值功率产生的汽化极少，但传导的热量更多。光束速度也是一个关键因素。

使用激光添加剂可增强并优化机器视觉码的对比度，并缩短打标周期。这些因素最终可节约成本并提高生产效率。材料科学解决方案经济高效、易于使用，只要配方得当，就不会对聚合物产品的物理和化学性能产生不良影响。

应用

一个出色的应用实例，是通过激光在恶劣环境下的发动机舱内汽车燃油部件和组件（通常为缩醛、尼龙和聚酯）上施加二维 Data Matrix 码。如第 32 页示例 A 所示，¼ 英寸大小的码约 200 毫秒即可打标完成。码中包含的数据可实现部件的完整可追溯（从树脂批次、注塑机、日期-班次-时间到装配泄漏测试）。缩醛激光打标的新技术进展进一步拓展了产品序列化和可追溯的领域。示例 B：正如一位汽车行业高管所说：“我们设计的许多发动机舱内缩醛燃油部件结构紧凑。在自动化装配作业接近尾声、在线泄漏测试之后，对关键信息和 Data Matrix 码进行永久性微标记，在行业内具有很高价值。唯一的零件标识也有利于企业内部对在制品（W.I.P.）的库存管理。”

现代机器视觉系统不只是独立的检测设备，而是集成在包括统计质量控制指标程序在内的六西格玛整体制造运营之中。先进系统内含人工智能，进一步拓展了激光与机器视觉码的应用范围。激光打标的强大组合通过提供过程反馈和错误预防，为实现近乎零缺陷的产品提供保障，被视为成功的关键。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，业务涵盖激光打标、表面预处理、粘接、装饰与精加工以及产品防伪。Sabreen 开发开创性技术、解决制造难题已逾 30 年。您可拨打 972.820.6777 联系他，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com。

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