eng
Выпуск #6/2013
С.Горный, В. Вейко, Г.Одинцова, Е.Горбунова, А.Логинов, Ю.Карлагина, А.Скуратова, Э.Агеев
Цветная лазерная маркировка поверхности металлов
Цветная лазерная маркировка поверхности металлов
Просмотры: 6677
Лазерная маркировка продукции для хранения информации об изделии на протяжении всего его жизненного цикла долговечна и обладает высоким разрешением. Исследованы колориметрические характеристики графических символов, наносимых с помощью серийной установки "Минимаркер-2", выполненной на основе импульсного волоконного лазера. Приведены результаты, полученные при маркировке деталей из нержавеющей стали и технического титана.
Теги: colorimetric properties of oxide films laser marking колориметрические свойства окисных пленок лазерная маркировка
Для нанесения изображений на поверхность металла (то есть локального изменения их оптических свойств в видимом диапазоне) обычно применяются технологии термопечати, порошковой и химической окраски [1–4]. В последние годы проявился определенный интерес к управлению оптическими свойствами поверхности путем лазерного окисления и структурирования поверхности металлов [5–10]. Технология цветной лазерной маркировки (ЦЛМ) оказывается вполне конкурентоспособным методом нанесения долговечного изображения высокого разрешения при бесконтактном воздействии на материал (ниже приведено сравнение технологии ЦЛМ с существующими технологиями окрашивания). Среди важнейших приложений, решения которых базируются на нанесении графической информации на поверхность металлических деталей, можно выделить борьбу с контрафактной продукцией [7, 9, 11]. На рис.1 представлен пример использования технологии ЦЛМ для защиты продукции от фальсификации. На перочинный нож нанесен логотип компании, в котором присутствуют идентификационные знаки микроскопического размера "Ц" и "ITMO". Воспроизвести такой логотип в кустарных условиях практически невозможно, так как требуется специальная дорогостоящая техника и точная информация о режимах маркировки идентификационного знака.
Другое применение технологии ЦЛМ – возможность увеличения объема кодируемой информации за счет создания третьей информационной оси в двухмерном классическом штрихкоде [7, 8]. Объем передаваемой информации также может быть увеличен за счет большего количества кодирующих элементов. Например, на рис.2а представлен 2D QR-код, сгенерированный с помощью программы "Microsoft Tag" [12]. Кодирование информации осуществляется как за счет координат расположения треугольников, так и путем варьирования их цвета.
Заметим также, что защитный эффект, создаваемый оксидной пленкой на поверхностях некоторых металлов, можно многократно увеличить благодаря дополнительному лазерному окислению [11]. Технология ЦЛМ позволяет получить не только различные цвета на металлических поверхностях, но и прозрачные защитные покрытия (рис. 2б). Модификация оптических свойств поверхности материалов может быть также реализована методом лазерного микро- и наноструктурирования [5–10]. Такое структурирование может найти свое применение в солнечной энергетике для увеличения поглощательной способности приемников и в других типах детекторов. В данной работе рассматривается технология изменения оптических свойств поверхности только за счет ее окисления (без структурирования).
В настоящее время лазерные установки для маркировки выпускаются серийно. Но основная проблема, препятствующая внедрению технологии ЦЛМ в промышленность, – это отсутствие четко сформулированных и научно обоснованных физических представлений о самом процессе ЦЛМ. Таким образом, для реального внедрения этого метода необходимо выявить управляющие параметры процесса лазерного окрашивания.
В свою очередь, это позволит сформулировать технические рекомендации, алгоритмы и ПО для управления процессом формирования и наращивания поверхностных структур с требуемыми колориметрическими (цветовыми) характеристиками.
Целью данной работы является нахождение управляющих параметров процесса лазерного окрашивания (окисления) поверхности металлов, обеспечивающих однозначную связь с цветом поверхности в заданной локальной области
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для проведения экспериментов по изучению воздействия лазерного излучения на металлические поверхности была использована установка "Минимаркер–2" на базе иттербиевого импульсного волоконного лазера (табл.1) [13]. Выбор экспериментальной установки обусловлен значительным коэффициентом поглощения металлами излучения на длине волны 1,06 мкм и серийным характером ее производства. Неравномерность распределения энергии в пучке волоконного лазера устраняется за счет усреднения плотности излучения при большом перекрытии пятен лазерного пучка при сканировании по оси х (Lx > 98%). В качестве образцов были использованы шлифованные пластины (табл.2) нержавеющей стали марки 10Х18Н10Т (71% Fe; 0,1% C; 18% Cr; 10% Ni и малые примеси других легирующих элементов) [14,15] толщиной 0,7 мм, и пластины технического титана ВТ1 0 [16,17], толщиной 2 мм. Облучение образцов проводилось при нормальных лабораторных условиях в воздушной атмосфере. Свойства полученных образцов были исследованы методами оптической микроскопии (микроскоп Zeiss Axio Imager A1M) и cпектрофотометрии (спектрофотометр Ocean Optics CHEM4-VIS-NIR USB4000).
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Параметр воздействия, определяющий цвет поверхности
Результаты исследования подтвердили факты, известные специалистам, – цвет обработанной поверхности металла, то есть толщина и химический состав образованной оксидной пленки, зависит от температуры, до которой нагревается поверхность, и времени воздействия на образец.
Используя метод источников, для оценки температуры поверхности металла Т(Nх) при лазерном облучении серией Nх импульсов можно получить следующую формулу [18]:
,
где q0 – плотность мощности излучения, τ – длительность импульса, f – частота следования импульсов, Тн – начальная температура образца, R – коэффициент отражения на длине волны 1,06 мкм, k – теплопроводность материала, a – температуропроводность материала.
Время воздействия tx,y при сканировании сфокусированного пучка излучения диаметром d можно рассчитать по формуле:
,
где Nx, Ny – число импульсов в области фокусного пятна с учетом перекрытия по осям х и y, Vck – скорость сканирования, N – разрешение (линий на мм).
Параметром, характеризующим образование оксидной пленки той или иной структуры и цвета, должна являться некая интегральная характеристика нагрева, учитывающая температуру поверхности образца T (Nх), создаваемую воздействием серии импульсов, и общее время нагрева t . В общем случае эта характеристика имеет вид функции Ц = f ( T ( Nx ), tx, y ). По результатам экспериментов, конкретный вид выбранной функции для лазерного окрашивания хорошо описывается полуэмпирической температурно-временной комбинацией "Ц" [19]:
.
Исследования показали, что изменение параметра "Ц" характеризует порядок возникновения цветов при лазерном окрашивании. В табл.3 приведено соответствие оттенков цвета и параметра "Ц", а также состава окислов, образующихся на поверхности нержавеющей стали (рассчитанного методом химической термодинамики [20]) и технического титана (согласно [21]). Те интервалы, в которых образуются оксидные пленки с неравномерным окрашиванием по площади, в таблице не указаны.
Механизмы образования цвета на поверхности металлов под действием лазерного излучения
Известны два механизма образования цвета на поверхности металлов под действием лазерного излучения: окисление поверхности с образованием прозрачных интерференционных пленочных покрытий или новых веществ – цветовых пигментов [11, 22–24] и абляция металла, приводящая к образованию микро- и наноструктур [5–10]. В нашей работе использованы такие режимы лазерного облучения, плотность мощности пучка в которых находилась ниже порога испарения материала. Поэтому механизм окрашивания, связанный с образованием регулярных рельефов или других микроструктур, может быть исключен из рассуждений.
При лазерном нагревании титана или стали на воздухе на их поверхности образуются прозрачные оксиды (Fe2O3, Cr2O3, NiO и TiO2, соответственно) (табл.3). Условия образования каждого из оксидов, а также толщина возникающих пленок окислов соответствуют своему температурному диапазону. Поэтому наиболее вероятной причиной "лазерного" окрашивания поверхности металлов является образование интерференционных пленок (по толщине соизмеримых с длиной волны) в результате химического взаимодействия металлов или компонентов сплавов с атмосферными газами при их нагревании. Необходимо отметить, что в отдельных случаях на поверхности стали и титана возникают цветовые пигменты. Так, например, при нагревании до температуры 1438–1497˚С на поверхности титана образуется оксид титана (II), имеющий непрозрачный золотисто-желтый цвет [25].
Колориметрические характеристики образующихся пленок
Для стандартизации результатов исследований была использована международная система количественной оценки цвета XYZ [26]. В основе этой системы лежит цветовое уравнение: , где S – цвет исследуемого объекта; X, Y, Z – основные цвета системы; x΄, y΄, z΄ – координаты цвета. Для определения цвета нужно рассчитать значения координат (определяет яркость цвета), , (лежат в плоскости нулевой яркости) и относительные значения координат цвета и (характеризуют цветность излучения: длину волны и чистоту цвета), – нормирующий коэффициент. Для этого был измерен спектральный апертурный коэффициент отражения в видимом диапазоне для каждого цвета. Выбраны источники освещения, найдены их спектральные распределения энергии S(λ): источник типа А – эталон искусственного света (цветовая температура излучения 2850К, позволяет правильно охарактеризовать цвета предметов в помещениях); источник типа D – эталон естественного света (цветовая температура излучения 6500К, наиболее близок к естественному дневному свету). Таким образом, методом взвешенных координат были определены координаты цвета и цветности на примере нержавеющей стали (табл.4).
Программное обеспечение для реализации технологии цветной лазерной маркировки на базе технологической установки "Минимаркер–2"
Для автоматизации процесса маркировки был разработан алгоритм и соответствующее ПО, взаимодействующее с программным обеспечением лазерной установки. Обеспечена возможность просмотра изображения в цветах, которые были получены для данного материала экспериментально; предусмотрена разбивка изображения на черно-белые слои для каждого цвета, которые уже могут подаваться на вход программы "SinMark" (программное обеспечение для установки "Минимаркер–2"). Это избавляет пользователя от необходимости применять внешние программы редактирования изображений, такие как, например, Adobe Photoshop. Примеры маркировки поверхности нержавеющей стали и технического титана, полученные с помощью предлагаемой технологии и программного обеспечения, представлены на рис. 1, 2 и 3.
СРАВНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЦЛМ С СУЩЕСТВУЮЩИМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ ОКРАШИВАНИЯ
На практике при нанесении графической информации на поверхность металлических деталей используют термопечать [1,3], порошковую окраску [2], химическую окраску [4] и технологию ЦЛМ. Поскольку технологии маркировки предназначены, прежде всего, для серийной продукции, имеет смысл сравнить их с точки зрения маркетинга. Для этого выберем некоторые параметры, которые должны соответствовать принятым стандартам. Во-первых, жесткие по конструктивным и технологическим признакам: минимальный размер получаемого элемента, количество производственных этапов, цветность (количество возможных цветов и оттенков), возможность бесконтактной обработки материала, стойкость получаемого изображения. Они характеризуются индексом жестких параметров – Iж. Во-вторых, мягкие потребительские параметры: отражающие психологические, эстетические или экономические требования покупателей (производительность технологического процесса). Они характеризуются индексом мягких параметров – Iм. В-третьих, надо учесть рыночную стоимость технологической установки, экологическую чистоту технологического процесса с учетом объема и количества химических отходов в процессе производства и вреда, наносимого ими окружающей среде. Предполагая, что мягкие и жесткие параметры одинаково важны для потребителя, общий индекс конкурентоспособности Iкс вычисляется как среднее арифметическое индексов Iж и Iм. Подробнее методика расчета представлена в [27]. Результаты расчета приведены в табл.5.
Проведенный маркетинговый анализ показывает, что технология ЦЛМ способна конкурировать с современными технологиями нанесения цветного изображения на металлическую поверхность. Она уступает только технологии термопечати, но если возникает необходимость в получении долговечного изображения с высоким разрешением и бесконтактным воздействием на материал, с минимальным воздействием на окружающую среду, то технология ЦЛМ является безусловным лидером.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На примере нержавеющей стали и титана рассмотрена технология цветной лазерной маркировки поверхности металлов, которая позволяет изменять их оптические свойства в видимом диапазоне. Данная технология может найти применение для окрашивания металлов при необходимости получения долговечного изображения с высоким разрешением при бесконтактном воздействии на материал. Среди предполагаемых областей применения можно указать на рекламный бизнес, ювелирное производство, машиностроение, где она будет использоваться в качестве средства для защиты от коррозии (одновременное изменение цвета поверхности и создание на ней защитного оксидного слоя), а также для защиты от фальсификации продукции или для кодирования информации и др.
Авторы выражают благодарность проф., д.ф-м.н. Шахно Е.А. и Синеву Д.А. за ценные консультации при проведении температурных расчетов.
Работа проведена при поддержке Гранта Президента РФ по ведущей научной школе НШ–619.2012.2. и гранта РФФИ 12–02–00974а.
ЛИТЕРАТУРа
Алехин В. А. Термопринтеры для автоматизированных информационных систем. Актуальные вопросы современной техники и технологии. – Липецк: Издательский центр "Гравис", 2012 с.10–17.
Tosko A. M. Powder coatings: chemistry and technology. – New York: Wiley, 1991.
Nijsse W. Thermal Printing. – Giga Information Group, 1997.
Ross S. D., Finkelstein M. I., Rudd E. J. Anodic oxidation. – Academic Press, 1975.
Vorobyev A. Y., Chunlei G. Colorizing metals with femtosecond laser pulses. – Applied Physics Letters, 2008, №2, p.041914-1 – 041914-3.
Баландина Л. Н., Попов К. Л. Изучение особенностей формирования изображений при цветной лазерной маркировке низкоуглеродистых сталей. – Студенческая научная весна 2011: Машиностроительные технологии, 2011, с.1–5.
Dusser B. et al. News application and traceability using ultrafast laser marking. – Proc. of SPIE, 2009, v.7201, p.72010V1-8.
Ahsan M. Sh., Ahmed F., Kim Y. G. Colorizing stainless steel surface by femtosecond laser induced micro / nano-structure. – Applied Surface Science, 2011, v.257, p. 7771–7777.
Lochbihler H. Colored images generated by metallic sub-wavelength gratings. –OPTICS EXPRESS, 2009, v. 17, №14, p.12189–12196.
Golosova E.V., Ionin A.A., Kolobova Y.R., Kudryashovb S.I., Ligachev A.E. Formation of Periodic Nanostructures on Aluminum Surface by Femtosecond Laser Pulses. – Nanotechnologies in Russia, 2011, v.6, № 3, p.4–23.
Афонькин, М. Г. Применение современных технологий при декорировании художественных изделий из металла. – Дизайн. Материалы. Технология, 2009, вып. 3 (10), c.3–8.
Microsoft Tag Home page [Электронный ресурс] / Microsoft Tag – Electronic data. – Режим доступа: http://tag.microsoft.com/home.aspx .
Минимаркер Home page [Электронный ресурс] / Минимаркер – Electronic data. – Режим доступа: http://www.minimarker.ru/, свободный.
Karlsson B. and Ribbing C. G. Optical constants and spectral selectivity of stainless steel and its oxides. – J. Appl. Phys., 1982, v.53, p.6340–6346.
Станкус С. В. и др. Коэффициенты теплопроводности нержавеющей стали 12Х18Н10Т в широком интервале температур. – Теплофизика высоких температур, 2008, т.46, №5, с.795–797.
Lynch D. W., Olson C. G. Optical properties of Ti, Zr, and Hf from 0.15 to 30 eV. – Physical Review B, 1975, v.11, №10, p.3617–3624.
Parker W. J., Jenkins R. J., Butler C. P., Abbott G. L. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity, and thermal conductivity. – J. Appl. Phys., 1961, v. 32, p.1679–1684.
Шахно Е. А. Аналитические методы исследования и разработки лазерных микро- и нанотехнологий. Методические рекомендации по выполнению курсовых проектов и самостоятельных работ студентов. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2008.
Вейко В. П., Горный С. Г., Одинцова Г. В. и др. Формирование многоцветного изображения при лазерном окислении металлов. – Изв. вузов. Приборостроение, 2011, т.54, №2, c.47–53.
Veiko V. P., Slobodov A. A., Odintsova G. V. Availability of methods of chemical thermodynamics and kinetics for the analysis of chemical transformations on metal surfaces under pulsed laser action. – Laser Phys., 2013, v. 23, p. 066001.
Pino A., Serra P., Morenza J. L. Coloring of titanium by pulsed laser processing in air. – Thin Solid Films, 2002, v.415, p. 201–205.
Veiko V. P., Baranov A. V., Bogdanov K. V. et al. Laser-induced thermo-oxidation of thin chromium films: micro-Raman characterization. – J. of Raman spectrosc, 2011, v. 42, № 9, p. 1780–1783.
Veiko V. P., Shakhno E. A., Poleshcuk A. G. et al. Local laser oxidation of thin metal films: ultra-resolution in theory and in practice. – J. of Laser Micro/Nanoengineering, 2008, v.3, p.201–205.
Арзуов М. И., Барчуков А. И., Бункин Ф. В. и др. Особенности лазерного нагрева окисляющихся металлов в воздухе при наклонном падении излучения. – Квантовая электроника, 1979, т.6, №3, c.466–472.
Самсонов Г. В., Борисова А. Л. и др. Физико-химические свойства окислов: Справочник. – М.: Металлургия, 1978.
Джадд Д, Вышецки Г. Цвет в науке и технике. – М.: Мир, 1978.
Батова Т. Н., Васюхин О. В. и др. Экономика промышленного предприятии: Учебное пособие. – С-Пб: ИТМО, 2008.
Другое применение технологии ЦЛМ – возможность увеличения объема кодируемой информации за счет создания третьей информационной оси в двухмерном классическом штрихкоде [7, 8]. Объем передаваемой информации также может быть увеличен за счет большего количества кодирующих элементов. Например, на рис.2а представлен 2D QR-код, сгенерированный с помощью программы "Microsoft Tag" [12]. Кодирование информации осуществляется как за счет координат расположения треугольников, так и путем варьирования их цвета.
Заметим также, что защитный эффект, создаваемый оксидной пленкой на поверхностях некоторых металлов, можно многократно увеличить благодаря дополнительному лазерному окислению [11]. Технология ЦЛМ позволяет получить не только различные цвета на металлических поверхностях, но и прозрачные защитные покрытия (рис. 2б). Модификация оптических свойств поверхности материалов может быть также реализована методом лазерного микро- и наноструктурирования [5–10]. Такое структурирование может найти свое применение в солнечной энергетике для увеличения поглощательной способности приемников и в других типах детекторов. В данной работе рассматривается технология изменения оптических свойств поверхности только за счет ее окисления (без структурирования).
В настоящее время лазерные установки для маркировки выпускаются серийно. Но основная проблема, препятствующая внедрению технологии ЦЛМ в промышленность, – это отсутствие четко сформулированных и научно обоснованных физических представлений о самом процессе ЦЛМ. Таким образом, для реального внедрения этого метода необходимо выявить управляющие параметры процесса лазерного окрашивания.
В свою очередь, это позволит сформулировать технические рекомендации, алгоритмы и ПО для управления процессом формирования и наращивания поверхностных структур с требуемыми колориметрическими (цветовыми) характеристиками.
Целью данной работы является нахождение управляющих параметров процесса лазерного окрашивания (окисления) поверхности металлов, обеспечивающих однозначную связь с цветом поверхности в заданной локальной области
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для проведения экспериментов по изучению воздействия лазерного излучения на металлические поверхности была использована установка "Минимаркер–2" на базе иттербиевого импульсного волоконного лазера (табл.1) [13]. Выбор экспериментальной установки обусловлен значительным коэффициентом поглощения металлами излучения на длине волны 1,06 мкм и серийным характером ее производства. Неравномерность распределения энергии в пучке волоконного лазера устраняется за счет усреднения плотности излучения при большом перекрытии пятен лазерного пучка при сканировании по оси х (Lx > 98%). В качестве образцов были использованы шлифованные пластины (табл.2) нержавеющей стали марки 10Х18Н10Т (71% Fe; 0,1% C; 18% Cr; 10% Ni и малые примеси других легирующих элементов) [14,15] толщиной 0,7 мм, и пластины технического титана ВТ1 0 [16,17], толщиной 2 мм. Облучение образцов проводилось при нормальных лабораторных условиях в воздушной атмосфере. Свойства полученных образцов были исследованы методами оптической микроскопии (микроскоп Zeiss Axio Imager A1M) и cпектрофотометрии (спектрофотометр Ocean Optics CHEM4-VIS-NIR USB4000).
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Параметр воздействия, определяющий цвет поверхности
Результаты исследования подтвердили факты, известные специалистам, – цвет обработанной поверхности металла, то есть толщина и химический состав образованной оксидной пленки, зависит от температуры, до которой нагревается поверхность, и времени воздействия на образец.
Используя метод источников, для оценки температуры поверхности металла Т(Nх) при лазерном облучении серией Nх импульсов можно получить следующую формулу [18]:
,
где q0 – плотность мощности излучения, τ – длительность импульса, f – частота следования импульсов, Тн – начальная температура образца, R – коэффициент отражения на длине волны 1,06 мкм, k – теплопроводность материала, a – температуропроводность материала.
Время воздействия tx,y при сканировании сфокусированного пучка излучения диаметром d можно рассчитать по формуле:
,
где Nx, Ny – число импульсов в области фокусного пятна с учетом перекрытия по осям х и y, Vck – скорость сканирования, N – разрешение (линий на мм).
Параметром, характеризующим образование оксидной пленки той или иной структуры и цвета, должна являться некая интегральная характеристика нагрева, учитывающая температуру поверхности образца T (Nх), создаваемую воздействием серии импульсов, и общее время нагрева t . В общем случае эта характеристика имеет вид функции Ц = f ( T ( Nx ), tx, y ). По результатам экспериментов, конкретный вид выбранной функции для лазерного окрашивания хорошо описывается полуэмпирической температурно-временной комбинацией "Ц" [19]:
.
Исследования показали, что изменение параметра "Ц" характеризует порядок возникновения цветов при лазерном окрашивании. В табл.3 приведено соответствие оттенков цвета и параметра "Ц", а также состава окислов, образующихся на поверхности нержавеющей стали (рассчитанного методом химической термодинамики [20]) и технического титана (согласно [21]). Те интервалы, в которых образуются оксидные пленки с неравномерным окрашиванием по площади, в таблице не указаны.
Механизмы образования цвета на поверхности металлов под действием лазерного излучения
Известны два механизма образования цвета на поверхности металлов под действием лазерного излучения: окисление поверхности с образованием прозрачных интерференционных пленочных покрытий или новых веществ – цветовых пигментов [11, 22–24] и абляция металла, приводящая к образованию микро- и наноструктур [5–10]. В нашей работе использованы такие режимы лазерного облучения, плотность мощности пучка в которых находилась ниже порога испарения материала. Поэтому механизм окрашивания, связанный с образованием регулярных рельефов или других микроструктур, может быть исключен из рассуждений.
При лазерном нагревании титана или стали на воздухе на их поверхности образуются прозрачные оксиды (Fe2O3, Cr2O3, NiO и TiO2, соответственно) (табл.3). Условия образования каждого из оксидов, а также толщина возникающих пленок окислов соответствуют своему температурному диапазону. Поэтому наиболее вероятной причиной "лазерного" окрашивания поверхности металлов является образование интерференционных пленок (по толщине соизмеримых с длиной волны) в результате химического взаимодействия металлов или компонентов сплавов с атмосферными газами при их нагревании. Необходимо отметить, что в отдельных случаях на поверхности стали и титана возникают цветовые пигменты. Так, например, при нагревании до температуры 1438–1497˚С на поверхности титана образуется оксид титана (II), имеющий непрозрачный золотисто-желтый цвет [25].
Колориметрические характеристики образующихся пленок
Для стандартизации результатов исследований была использована международная система количественной оценки цвета XYZ [26]. В основе этой системы лежит цветовое уравнение: , где S – цвет исследуемого объекта; X, Y, Z – основные цвета системы; x΄, y΄, z΄ – координаты цвета. Для определения цвета нужно рассчитать значения координат (определяет яркость цвета), , (лежат в плоскости нулевой яркости) и относительные значения координат цвета и (характеризуют цветность излучения: длину волны и чистоту цвета), – нормирующий коэффициент. Для этого был измерен спектральный апертурный коэффициент отражения в видимом диапазоне для каждого цвета. Выбраны источники освещения, найдены их спектральные распределения энергии S(λ): источник типа А – эталон искусственного света (цветовая температура излучения 2850К, позволяет правильно охарактеризовать цвета предметов в помещениях); источник типа D – эталон естественного света (цветовая температура излучения 6500К, наиболее близок к естественному дневному свету). Таким образом, методом взвешенных координат были определены координаты цвета и цветности на примере нержавеющей стали (табл.4).
Программное обеспечение для реализации технологии цветной лазерной маркировки на базе технологической установки "Минимаркер–2"
Для автоматизации процесса маркировки был разработан алгоритм и соответствующее ПО, взаимодействующее с программным обеспечением лазерной установки. Обеспечена возможность просмотра изображения в цветах, которые были получены для данного материала экспериментально; предусмотрена разбивка изображения на черно-белые слои для каждого цвета, которые уже могут подаваться на вход программы "SinMark" (программное обеспечение для установки "Минимаркер–2"). Это избавляет пользователя от необходимости применять внешние программы редактирования изображений, такие как, например, Adobe Photoshop. Примеры маркировки поверхности нержавеющей стали и технического титана, полученные с помощью предлагаемой технологии и программного обеспечения, представлены на рис. 1, 2 и 3.
СРАВНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЦЛМ С СУЩЕСТВУЮЩИМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ ОКРАШИВАНИЯ
На практике при нанесении графической информации на поверхность металлических деталей используют термопечать [1,3], порошковую окраску [2], химическую окраску [4] и технологию ЦЛМ. Поскольку технологии маркировки предназначены, прежде всего, для серийной продукции, имеет смысл сравнить их с точки зрения маркетинга. Для этого выберем некоторые параметры, которые должны соответствовать принятым стандартам. Во-первых, жесткие по конструктивным и технологическим признакам: минимальный размер получаемого элемента, количество производственных этапов, цветность (количество возможных цветов и оттенков), возможность бесконтактной обработки материала, стойкость получаемого изображения. Они характеризуются индексом жестких параметров – Iж. Во-вторых, мягкие потребительские параметры: отражающие психологические, эстетические или экономические требования покупателей (производительность технологического процесса). Они характеризуются индексом мягких параметров – Iм. В-третьих, надо учесть рыночную стоимость технологической установки, экологическую чистоту технологического процесса с учетом объема и количества химических отходов в процессе производства и вреда, наносимого ими окружающей среде. Предполагая, что мягкие и жесткие параметры одинаково важны для потребителя, общий индекс конкурентоспособности Iкс вычисляется как среднее арифметическое индексов Iж и Iм. Подробнее методика расчета представлена в [27]. Результаты расчета приведены в табл.5.
Проведенный маркетинговый анализ показывает, что технология ЦЛМ способна конкурировать с современными технологиями нанесения цветного изображения на металлическую поверхность. Она уступает только технологии термопечати, но если возникает необходимость в получении долговечного изображения с высоким разрешением и бесконтактным воздействием на материал, с минимальным воздействием на окружающую среду, то технология ЦЛМ является безусловным лидером.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На примере нержавеющей стали и титана рассмотрена технология цветной лазерной маркировки поверхности металлов, которая позволяет изменять их оптические свойства в видимом диапазоне. Данная технология может найти применение для окрашивания металлов при необходимости получения долговечного изображения с высоким разрешением при бесконтактном воздействии на материал. Среди предполагаемых областей применения можно указать на рекламный бизнес, ювелирное производство, машиностроение, где она будет использоваться в качестве средства для защиты от коррозии (одновременное изменение цвета поверхности и создание на ней защитного оксидного слоя), а также для защиты от фальсификации продукции или для кодирования информации и др.
Авторы выражают благодарность проф., д.ф-м.н. Шахно Е.А. и Синеву Д.А. за ценные консультации при проведении температурных расчетов.
Работа проведена при поддержке Гранта Президента РФ по ведущей научной школе НШ–619.2012.2. и гранта РФФИ 12–02–00974а.
ЛИТЕРАТУРа
Алехин В. А. Термопринтеры для автоматизированных информационных систем. Актуальные вопросы современной техники и технологии. – Липецк: Издательский центр "Гравис", 2012 с.10–17.
Tosko A. M. Powder coatings: chemistry and technology. – New York: Wiley, 1991.
Nijsse W. Thermal Printing. – Giga Information Group, 1997.
Ross S. D., Finkelstein M. I., Rudd E. J. Anodic oxidation. – Academic Press, 1975.
Vorobyev A. Y., Chunlei G. Colorizing metals with femtosecond laser pulses. – Applied Physics Letters, 2008, №2, p.041914-1 – 041914-3.
Баландина Л. Н., Попов К. Л. Изучение особенностей формирования изображений при цветной лазерной маркировке низкоуглеродистых сталей. – Студенческая научная весна 2011: Машиностроительные технологии, 2011, с.1–5.
Dusser B. et al. News application and traceability using ultrafast laser marking. – Proc. of SPIE, 2009, v.7201, p.72010V1-8.
Ahsan M. Sh., Ahmed F., Kim Y. G. Colorizing stainless steel surface by femtosecond laser induced micro / nano-structure. – Applied Surface Science, 2011, v.257, p. 7771–7777.
Lochbihler H. Colored images generated by metallic sub-wavelength gratings. –OPTICS EXPRESS, 2009, v. 17, №14, p.12189–12196.
Golosova E.V., Ionin A.A., Kolobova Y.R., Kudryashovb S.I., Ligachev A.E. Formation of Periodic Nanostructures on Aluminum Surface by Femtosecond Laser Pulses. – Nanotechnologies in Russia, 2011, v.6, № 3, p.4–23.
Афонькин, М. Г. Применение современных технологий при декорировании художественных изделий из металла. – Дизайн. Материалы. Технология, 2009, вып. 3 (10), c.3–8.
Microsoft Tag Home page [Электронный ресурс] / Microsoft Tag – Electronic data. – Режим доступа: http://tag.microsoft.com/home.aspx .
Минимаркер Home page [Электронный ресурс] / Минимаркер – Electronic data. – Режим доступа: http://www.minimarker.ru/, свободный.
Karlsson B. and Ribbing C. G. Optical constants and spectral selectivity of stainless steel and its oxides. – J. Appl. Phys., 1982, v.53, p.6340–6346.
Станкус С. В. и др. Коэффициенты теплопроводности нержавеющей стали 12Х18Н10Т в широком интервале температур. – Теплофизика высоких температур, 2008, т.46, №5, с.795–797.
Lynch D. W., Olson C. G. Optical properties of Ti, Zr, and Hf from 0.15 to 30 eV. – Physical Review B, 1975, v.11, №10, p.3617–3624.
Parker W. J., Jenkins R. J., Butler C. P., Abbott G. L. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity, and thermal conductivity. – J. Appl. Phys., 1961, v. 32, p.1679–1684.
Шахно Е. А. Аналитические методы исследования и разработки лазерных микро- и нанотехнологий. Методические рекомендации по выполнению курсовых проектов и самостоятельных работ студентов. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2008.
Вейко В. П., Горный С. Г., Одинцова Г. В. и др. Формирование многоцветного изображения при лазерном окислении металлов. – Изв. вузов. Приборостроение, 2011, т.54, №2, c.47–53.
Veiko V. P., Slobodov A. A., Odintsova G. V. Availability of methods of chemical thermodynamics and kinetics for the analysis of chemical transformations on metal surfaces under pulsed laser action. – Laser Phys., 2013, v. 23, p. 066001.
Pino A., Serra P., Morenza J. L. Coloring of titanium by pulsed laser processing in air. – Thin Solid Films, 2002, v.415, p. 201–205.
Veiko V. P., Baranov A. V., Bogdanov K. V. et al. Laser-induced thermo-oxidation of thin chromium films: micro-Raman characterization. – J. of Raman spectrosc, 2011, v. 42, № 9, p. 1780–1783.
Veiko V. P., Shakhno E. A., Poleshcuk A. G. et al. Local laser oxidation of thin metal films: ultra-resolution in theory and in practice. – J. of Laser Micro/Nanoengineering, 2008, v.3, p.201–205.
Арзуов М. И., Барчуков А. И., Бункин Ф. В. и др. Особенности лазерного нагрева окисляющихся металлов в воздухе при наклонном падении излучения. – Квантовая электроника, 1979, т.6, №3, c.466–472.
Самсонов Г. В., Борисова А. Л. и др. Физико-химические свойства окислов: Справочник. – М.: Металлургия, 1978.
Джадд Д, Вышецки Г. Цвет в науке и технике. – М.: Мир, 1978.
Батова Т. Н., Васюхин О. В. и др. Экономика промышленного предприятии: Учебное пособие. – С-Пб: ИТМО, 2008.
Отзывы читателей
