Санкт-Петербург l Москва l Казань l тел: 8-800-5555-620
лазерный центр
лазерный центр
лазерное оборудование и лазерные технологии
  о компании оборудование технологии услуги материалы контакты  
О КОМПАНИИ:

 

Возможности технологии цветной лазерной маркировки "Сolorit"

журнал "Фотоника", 6-.568-575

Представлена технология "Colorit" цветной лазерной маркировки металлов, в том числе и драгоценных, которая позволяет наносить цветное изображение без использования пигментов и красителей. Технология маркировки базируется на различных оптических эффектах: интерференции, дифракции света и поверхностного плазмонного резонанса. Изображения имеют высокое разрешение и обладают несколькими степенями защиты, что позволяет использовать метод для защиты продукции от фальсификации.

Неотъемлемой частью любого современного производства является маркировка продукции. Она необходима для идентификации изделий и их отслеживания как на этапе производства, так и на этапе реализации продукции. Важное требование к маркировке любого изделия – ?это исключение ее влияния на свойства самих деталей и стойкость маркировочного знака к внешним воздействиям. Монохромная лазерная гравировка хорошо удовлетворяет данным требованиям и уже широко представлена на российском и зарубежном рынках [1]. Современные лазерные системы позволяют обрабатывать изделия сложной формы из различных материалов с высокой производительностью. В данной статье представлена технология цветной лазерной маркировки металлов (в том числе драгоценных), которая позволяет наносить цветное изображение без использования пигментов и красителей (за счет различных оптических эффектов: интерференции, дифракции света и поверхностного плазмонного резонанса), и при этом – ?с высоким разрешением. Изображение обладает несколькими степенями защиты, что дает возможность использовать данный метод не только в декоративных и идентификационных целях, но и для защиты продукции от фальсификации. Показано, что производительность предлагаемой технологии "Colorit" сравнима с монохромной лазерной гравировкой. Для случая возможного появления брака при маркировке изделия предложен метод корректировки цвета в процессе нанесения изображения. Также продемонстрирована устойчивость получаемых цветных покрытий к химическим и температурным воздействиям. 

ВОЗМОЖНО ЛИ ПОЛУЧИТЬ ЦВЕТ ИЗ ВОЗДУХА?

Известно, что при нагреве некоторых металлов на воздухе на их поверхности образуется оксидная пленка, за счет интерференции света в которой происходит изменение цвета. На основе этого эффекта была разработана технология цветной лазерной маркировки металлов [2] (коммерческое название "Colorit" [3]). Технология является аналогом монохромной лазерной гравировки в цвете и дает возможность получать цветное устойчивое изображение с высоким разрешением на металлической поверхности с высокой степенью защиты от фальсификации. Как правило, цветная лазерная маркировка осуществляется при помощи импульсного волоконного лазера [4–6], который обеспечивает необходимую стабильность пространственно-временных характеристик излучения. Примером такой системы является компактный прецизионный маркер "МиниМаркер 2" производства компании ООО "Лазерный центр" [7]. Интегральный цвет поверхности металлов после лазерного воздействия зависит как от интерференционных эффектов в верхнем оксидном слое (например в TiO2 в случае обработки титана), так и от собственного цвета нижних окислов (например TiO, Ti2O3) [8–9]. Таким образом, могут быть окрашены только окисляющиеся на воздухе металлы и сплавы, например нержавеющие стали, титановые и медные сплавы, тугоплавкие металлы.

ВОЗМОЖНО ЛИ ЛАЗЕРНОЕ ОКРАШИВАНИЕ ДРАГОЦЕННЫХ МЕТАЛЛОВ?

Существует потребность адаптации технологии лазерного окрашивания для неокисляющихся на воздухе металлов, например драгоценных. Одним из возможных решений данной задачи является окрашивание благородных металлов за счет поверхностного плазмонного резонанса (ППР) на наночастицах, образующихся при лазерном облучении в воздушной среде (демонстрация эффекта, проявляющегося с помощью ультракоротких (УК) лазерных импульсов, отражена в работе [10]). В данной работе для реализации предложенного механизма было решено использовать волоконный лазер с УК импульсами наносекундной длительности. При лазерном нагревании поверхности металла выше температуры испарения формируются наночастицы сферической формы, оседающие из парового облака на обрабатываемую поверхность. За счет ППР-эффекта в полученных наночастицах (10–50 нм) происходит избирательное поглощение падающего белого света, в то время как отраженные длины волн придают поверхности желаемый цвет (рис. 1а). По снимкам со сканирующего электронного микроскопа (рис. 1с) видно, что на цвет поверхности серебра влияют форма и размер наночастиц, а также расстояние между ними. Причем с уменьшением расстояния между наночастицами минимум спектра отражения сдвигается в ультрафиолетовую область (рис. 1b). Примеры получаемых изображений на поверхности серебра приведены на рис. 1d.

ВОЗМОЖНО ЛИ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА СОЗДАТЬ ЗАЩИТНОЕ "ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ" ИЗОБРАЖЕНИЕ НЕПОСРЕДСТВЕННО НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА?

К одной из функций маркировки относится защита продукции от фальсификации. Технология прямого лазерного структурирования металлов за счет возбуждения поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) позволяет создавать цветные изображения по типу защитных голограмм.

Запись "голограммы" можно реализовать за счет формирования поверхностных периодических структур (ППС) с периодом порядка длины волны лазерного излучения непосредственно на поверхности металла вследствие интерференции падающего света с возбуждаемой ПЭВ [11]. Направление штрихов, сформированных таким методом структур, перпендикулярно направлению плоскос-
ти поляризации лазерного излучения. В данной работе продемонстрирована запись ППС с помощью волоконного импульсного лазера с наносекундной длительностью. Изменение направления поляризации лазерного излучения непосредственно во время обработки позволяет получить эффект движения отдельных элементов (данный эффект представлен на рис. 2 в виде смещения горизонтальной линии (область Б) при изменении угла зрения). При записи отдельных элементов рисунка с различным направлением ППС достигается эффект присутствия нескольких изображений при изменении угла зрения (область А). Таким образом, лазерно-индуцированная защитная идентификационная метка содержит как визуально наблюдаемые, так и скрытые признаки для проверки подлинности. К визуальным признакам относятся: изменение типа и цвета изображения, а также его смещение при изменении угла зрения. К скрытым признакам подлинности относятся наличие различных типов периодических структур (канавки, углубления) при рассмотрении их под микроскопом с увеличением более 100Ч и точное совпадение колориметрических координат с ранее разработанным шаблоном в результате считывания изображений на офисном сканере (подробнее можно ознакомиться в [12]).

ВОЗМОЖНО ЛИ ОБЕСПЕЧИТЬ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЦВЕТНОЙ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ СРАВНИМУЮ С МОНОХРОМНОЙ ГРАВИРОВКОЙ?

Но на пути внедрения технологии цветной лазерной маркировки в промышленное производство встает проблема. Ее появление связано с низкой производительностью методов маркировки, использующих такую технологию. Например, время маркировки логотипа площадью 3 см2 при частоте следования импульсов 90 кГц составляет 6 минут 55 секунд (рис. 3b), в то время как время маркировки такого же логотипа уже широко применяемым методом лазерной гравировки составляет 30 секунд (рис. 3a). С целью приблизить производительность цветной маркировки к скорости монохромной гравировки авторы предложили перейти от импульсного режима к квазинепрерывному режиму работы и использовать режимы с повышенными частотами (до 1 МГц). На данный момент удалось воспроизвес-
ти широкую палитру цветов при режиме работы с высокими частотами, что значительно сократило время обработки поверхности металла. Например, время маркировки рассматриваемого логотипа при частоте следования импульсов 900 кГц составило 1 минуту 9 секунд (рис. 3c).

ВОЗМОЖНО ЛИ ИСПРАВИТЬ ЦВЕТ ИЗОБРАЖЕНИЯ В СЛУЧАЕ БРАКА ПРИ НАНЕСЕНИИ МАРКИРОВКИ?

Во время лазерной маркировки изделия может возникнуть брак (цвет изображения будет иметь неверные колориметрические координаты). За счет послойного наращивания оксидной пленки (повторных проходов лазера) возможно скорректировать цвета в процессе лазерного воздействия (см. рис. 4: цифрой 1 показан желаемый цвет, цифрой 2 - полученный после лазерного воздействия, при повторном проходе режимом № 3 возможно получение цвета № 4 по колориметрическим координатам схожего с цветом № 1). Таким образом методом послойного наращивания оксидной пленки можно изменять цвет изображения в процессе лазерного окрашивания.

КАКОВА ХИМИЧЕСКАЯ И ТЕМПЕРАТУРНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ "COLORIT"?

Проведены исследования с целью определения химической устойчивости цветных покрытий, полученных по технологии "Colorit". В качестве материала для исследования были выбраны титановые (Grade 2) и стальные (AISI 304) пластинки, как наиболее часто используемые конструкционные материалы, с шестью основными цветами. В ходе испытаний образцы помещались на 48 часов в следующие вещества: H2SO4 (40%), NaOH (10%), C2H5OH (98%) и поверхностно-активное вещество (ПАВ) "New ultrasil 69". Было установлено, что покрытие на титане неустойчиво к щелочному воздействию, а покрытие на стали – ?к кислотному (рис. 5). Так же были проведены исследования устойчивости покрытий в тепловой камере. Покрытие на титане устойчиво при любой температуре от –40 до 100 °С и повышенной влажности от 70 до 90%. Покрытие на стали оказалось неустойчивым при температуре 100 °С и 90% влажности. Таким образом, результаты данных исследования нужно учитывать при внедрении данной технологии в реальное производство.

Предлагаемая технология имеет важное практическое значение для нанесения цветного износостойкого изображения на поверхность металлов (нержавеющие стали, титановые, медные сплавы, драгоценные и тугоплавкие металлы и др.) с хорошим разрешением без использования красителей, этикеток и т.?д. Наносимая идентификационная метка обладает несколькими степенями защиты как визуально наблюдаемыми (изменение типа и цвета изображения, его смещение при изменении угла зрения), так и скрытыми (наличие различных типов периодических структур при рассмотрении их под микроскопом, точное совпадение колориметрических координат с ранее разработанным шаблоном), которые отвечают основным требованиям, предъявляемым к защитным голограммам. Таким образом, маркировка обеспечивает многоуровневую защиту от фальсификации продукции. Необходимо отметить, что технология цветной лазерной маркировки реализуется с помощью широко внедренных в промышленное производство комплексов на основе волоконных лазеров, и ее производительность сравнима с монохромной лазерной гравировкой, которую используют многие российские предприятия.
Технология уже находит свое применение во многих областях промышленности: окрашивание деталей и маркировка приборных панелей в машино- и приборостроении (рис. 6a), нанесение логотипов предприятий на сувенирную продукцию (рис. 6b), создание защитного нетоксичного покрытия на медицинских изделиях из титана (рис. 6c), а также создание изделий с неповторимым дизайном в ювелирном деле (см. рис. 1d), современном искусстве (рис. 6d) и многое другое.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Валиулин А. и др. Лазерная маркировка материалов // Фотоника, 2007, № 3, c.16–22.
    Valiulin А. et al. Lasernaya markirovka materialov // Photonics, 2007, № 3, p.16–22.
  2. Veiko V. et al. Controlled oxide films formation by nanosecond laser pulses for color marking //Optics express, 2014, v. 22, № 20, p. 24342–24347.Laser Center, URL: https://www.procolorit.com/technology/.
  3. Khafaji N. Y. et al. Optical characterization of laser coloured titanium under different processing atmospheres //Surface and Coatings Technology, 2017, v. 321, p. 156–163.
  4. Adams D.P. et al. Nanosecond pulsed laser irradiation of stainless steel 304L: Oxide growth and effects on underlying metal //Surface and coatings technology, 2013, v. 222, p.1–8.
  5. A. J. et al. The influence of process parameters on the laser-induced coloring of titanium //Applied Physics A, 2014, v. 115, № 3, p. 1003–1013.
  6. Laser Center, URL: https://www.newlaser.ru/tech/.
  7. Ageev E. I. et al. Composition analysis of oxide films formed on titanium surface under pulsed laser action by method of chemical thermodynamics //Laser Physics, 2017, v. 27, № 4, p. 046001.
  8. Lavisse L. et al. Growth of titanium oxynitride layers by short pulsed Nd: YAG laser treatment of Ti plates: influence of the cumulated laser fluence //Applied Surface Science, 2009, v. 255, № 10, p. 5515–5518.
  9. Guay J. M. et al. Laser-induced plasmonic colours on metals //Nature communications, 2017, v. 8, p. 16095.
  10. Simхes J., Riva R., Miyakawa W. High-speed Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) generation on stainless steel surface using a nanosecond pulsed laser //Surface and Coatings Technology, 2018, v. 344, p. 423–432.
  11. Ageev E. I. et al. Controlled nanostructures formation on stainless steel by short laser pulses for products protection against falsification //Optics express, 2018, v. 26, № 2, p. 2117–2122.

 

 

Полное содержание статьи Возможности технологии цветной лазерной маркировки "Сolorit" на сайте журнала Фотоника .

 

2022 г.




Программа "ЭКСПРЕСС-ПРОДАЖА" оборудования
Все новости >>>  

 


|   Главная   |   О компании   |   Оборудование   |   Технологии   |   Услуги   |   Контакты   |  

Лазерный Центр, Санкт-Петербург, Тухачевского, 22, БЦ "Сова", оф. 228-231
тел: (812) 240-5060, 326-7892 - многоканальные, (812) 332-0659, 380-4361
E-mail: info@newlaser.ru

Статьи и публикации о применении лазерных технологий
Тел.: 8-800-5555-620 звонок по России бесплатный

Подписаться instagram NewLaserru Лазерный ЦентрПодписаться instagram NewLaserru Лазерный Центр ВКонтакте NewLaser Лазерный Центр Twitter NewLaser Новости
Дополнительно к центральному офису, работу станков можно оценить на наших площадках в Москве, Казани, Екатеринбурге и Санкт-Петербурге.

© Лазерный Центр, 2004-2021. Все права на материалы, находящиеся на сайте www.newlaser.ru, являются собственностью компании.
Запрещено использование материалов сайта без письменного разрешения руководства Лазерного Центра. Политика конфиденциальности.