Способ получения цветного изображения на металлических поверхностях
Владельцы патента RU 2357844:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-западный государственный заочный технический университет (СЗТУ) (RU)
Изобретение относится к способу получения цветного изображения на металлических поверхностях (текстовых и графических, монохромных и цветных) за счет образования наноструктур в виде оксидных пленок, образующихся в результате локального нагрева источником тепла импульсного действия (например, лазерного излучения, плазменного, электроконтактного или иного вида нагрева). Свойства оксидных пленок (физико-механические, геометрические, колориметрические и иные) зависят от технологических параметров источника теплового воздействия, которые в свою очередь определяются теплотехническими свойствами обрабатываемого материала. В способе предлагается режим термоимпульсного воздействия и расстояние между зонами воздействия импульсов рассчитывать в зависимости от теплофизических характеристик материала и параметров изображения таким образом, чтобы в зоне воздействия создавалась температура, необходимая и достаточная для образования оксидной пленки с заданной колориметрической характеристикой. Изобретение позволяет наносить цветное изображение на любые металлические поверхности без предварительной их обработки и без предварительного построения градуировочных кривых. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к способам получения изображений (текстовых и графических, монохромных и цветных) за счет формирования оксидных пленок, образующихся в результате локального нагрева источником тепла импульсного действия (например, лазерного излучения, плазменного, электроконтактного или иного вида нагрева). Свойства оксидных пленок (физико-механические, геометрические, колориметрические и иные) зависят от технологических параметров источника теплового воздействия, которые в свою очередь определяются теплофизическими свойствами обрабатываемого материала.
Заявляемый способ может найти применение в различных отраслях промышленности (для локального изменения колориметрических свойств поверхности деталей за счет приобретения оксидными пленками различных цветовых оттенков, т.н. "цветов побежалости"), рекламной сфере и декоративно-прикладном искусстве для получения цветных и монохромных изображений различного характера, а также при реставрации художественных произведений из металла. Одной из возможных областей применения заявляемого способа является создание цветного логотипа предприятия на выпускаемой продукции с целью исключения возможности ее подделки.
Известен способ высококонтрастной маркировки поверхности (см. патент США №6852948, МПК В23К 26/00, опубликован 08.02.2005 г.), включающий электростатическое нанесение на металлическую или диэлектрическую поверхность слоя термически активируемого материала, воздействие на нанесенный слой в местах маркировки излучением лазера или диода со средней мощностью менее 20 Вт и с длиной волны, которая соответствует эффективному поглощению материалом слоя падающего излучения.
Известный способ технологически достаточно сложен, так как необходимо предварительно наносить термически модифицируемую пленку, что существенно увеличивает время маркировки и создает ограничения топологии наносимого рисунка.
Известен способ маркировки анодированного слоя на алюминиевой поверхности (см. патент США №6777098, МПК В32В 15/04, опубликован 17.08.2004 г.), включающий воздействие на алюминиевую поверхность проникающим через анодированный слой излучением лазера, в результате воздействия которого поверхность в местах маркировки становится шероховатой и визуально наблюдаемой.
Известный способ применим лишь для маркировки поверхности алюминия или алюминиевых сплавов, к тому же не позволяет получать цветную маркировку поверхности.
Известен способ лазерной модификации металлической поверхности (см. Международная заявка № WO 9411146, МПК В23К 26/00, опубликована 26.05.1994 г.). Известным способом формируют под действием маркирующего лазерного излучения видимый рисунок на поверхности металлического изделия, имеющий отличный от исходной поверхности оттенок (от светлого до темного). Для формировании видимого рисунка на поверхности металлического изделия используют маркирующий пучок лазерного излучения, характеризующийся длительностью моноимпульсов от 15 до 30 нс, создающий на поверхности изделий плотность энергии от 0,1 до 10 Дж/см2 и перемещаемый относительно поверхности изделия. После воздействия лазерным излучением поверхность охлаждается на воздухе.
Формирование оттенка поверхности изделия под действием лазерного излучения в известном способе достигается следующим образом. Перемещением изделия относительно импульсного лазерного излучения обеспечивают частичное перекрытие следующих друг за другом отпечатков моноимпульсов лазерного излучения. Каждая пара следующих друг за другом моноимпульсов образует область воздействия лазерного излучения на поверхности изделия. При этом область воздействия лазерного излучения, в которой отпечатки моноимпульсов не перекрываются, оказывается контрастирующей по оттенку с исходной поверхностью изделия. Для получения равномерного оттенка поверхности изделия создают равномерное по поверхности расположение областей воздействия перекрывающихся отпечатков моноимпульсов, причем расстояние между такими областями должно составлять не более 100 мкм, а расстояние между центрами перекрывающихся отпечатков моноимпульсов - не более диаметра пучка лазерного излучения, равного 40 мкм. Оттенок поверхности, контрастирующий с исходной поверхностью, определяется количеством перекрытий отпечатков моноимпульсов: более темному оттенку соответствует большее количество перекрытий. Количество перекрытий контролируется относительным смещением отпечатка одного моноимпульса к другому. Физический смысл данного способа заключается в прецизионной модификации под действием лазерного излучения тонкой оксидной пленки (около 1 мкм) поверхности металлического изделия.
Способ не требует предварительной обработки поверхности изделия. Основным недостатком описанного способа является существенная ограниченность цветовой палитры - только градации от светлого до темного оттенков без изменения цвета.
Известен способ (Международная заявка № WO 0069648) нанесения изображения с помощью лазерного луча на изделие, содержащее металл/металл оксидный слой для нанесения изображения. Метод включает:
- изделие, включающее подложку и слой для нанесения изображения, содержащий металл/металл оксидный слой.
- воздействие на изделие лазерным лучом в части изделия, подвергшейся воздействию лазерного луча, придание металл/металл оксидному слою цвета, отличного от цвета остальной части.
Предпочтительно, чтобы слой для нанесения изображения содержал алюминий/алюминий оксид. Недостатком способа является необходимость предварительной подготовки поверхности изделия перед нанесением изображения.
Известен способ (Патент РФ №2287414 от 27.05.2005), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип, лазерной модификации поверхности металла или его сплава, включающий воздействие на модифицируемую поверхность металла или его сплава перемещаемым относительно поверхности излучением лазера и последующее охлаждение поверхности в кислородосодержащей газовой среде. В известном способе предварительно строят градуировочную кривую зависимости цвета модифицированной поверхности образца заданного металла или его сплава от удельной мощности падающего на поверхность упомянутого излучения при монотонном возрастании упомянутой удельной мощности от величины 10-10 Дж/см3·с до величины, при которой модифицированная поверхность образца приобретает черный цвет, и затем осуществляют последующее воздействие на модифицируемую поверхность данного металла или его сплава при величине удельной мощности лазерного излучения, соответствующей заданному цвету модифицированной поверхности.
Недостатком данного способа является необходимость проведения экспериментальных работ по определению режимов нанесения изображения для каждого обрабатываемого материала и вновь формируемого цвета. Способ также не предусматривает возможности локального изменения колориметрических параметров металлической поверхности, в частности при реставрации изделий декоративно-прикладного назначения.
Задачей данного изобретения является расширение функциональных возможностей и упрощение способа получения цветных изображений на металлических поверхностях за счет предварительного расчета режимов термоимпульсного воздействия и расстояний между зонами воздействия. Предлагаемый способ позволяет получать цветное изображение на любых металлических поверхностях без предварительной их обработки и без предварительного построения градуировочных кривых.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения цветного изображения на металлических поверхностях, включающем термоимпульсное воздействие на металлическую поверхность материала источником тепловой энергии с одновременным охлаждением на воздухе или в кислородосодержащей газовой среде, при этом источник тепловой энергии перемещают относительно металлической поверхности или материал перемещают относительно источника тепловой энергии, а режим термоимпульсного воздействия и расстояние между зонами воздействия определяют в зависимости от теплофизических характеристик материала и параметров изображения таким образом, чтобы в зоне воздействия создавалась температура, необходимая и достаточная для образования оксидной пленки с заданной колориметрической характеристикой, предлагается режим термоимпульсного воздействия и расстояние между зонами воздействия определять путем расчета по следующим формулам:
V=Fx
где β - коэффициент снижения мощности; N - мощность источника воздействия, Вт; µ - коэффициент выдержки; С - теплоемкость материала, Дж/(кг·°С); m - масса зоны образования оксидной пленки, кг; Tп - температура образования оксидной пленки, К; F - частота перемещения источника теплового воздействия, Гц; х - расстояние между зонами воздействия, м; mc - масса нагреваемого металла строки пикселя (кг); В - размер пикселя изображения, м; V - скорость перемещения источника теплового воздействия относительно материала или материала относительно источника теплового воздействия, м/с, причем диаметр зоны воздействия на металлической поверхности должен быть меньше размера пикселя наносимого изображения D≤B.
Дополнительным отличием является также то, что термоимпульсное воздействие осуществляют источником лазерного, или плазменного излучения, или электронно-лучевого, или электрического импульсного нагрева, обеспечивающим локальный нагрев поверхностных слоев металла.
Заявляемый способ поясняется следующими чертежами:
На фиг.1 изображена схема воздействия импульса на металлическую основу, где
D - диаметр зоны воздействия, м.
На фиг.2 изображена схема "закрашивания" пикселя изображения, где:
В - размер пикселя изображения (м);
х - расстояние между зонами воздействия;
у - расстояние между строками зон воздействия.
На фиг.3 и 4 представлены изображения и таблица оттенков различных цветов, полученных по предлагаемому способу.
Суть предлагаемого изобретения заключается в следующем. Явление цветов побежалости основано на том, что на омываемой воздухом металлической поверхности образуется просвечивающая пленка окислов, которая по мере постепенного наращивания принимает в последовательности спектральной шкалы цветов так называемые «цвета тонких пленок». Толщина пленки зависит от температуры и продолжительности нагрева - пленки разной толщины по-разному отражают световые лучи, чем и обусловлены те или иные цвета побежалости.
Физическая сущность заявляемого способа заключается в локальном нагреве металлической поверхности до определенной температуры, при которой создаются необходимые условия для образования пленки заданного цвета. Поскольку процесс локального нагрева осуществляется одновременно с процессом охлаждения, интенсивность нагрева должна преобладать над интенсивностью охлаждения в такой степени, чтобы остаточная температура соответствовала требуемой. Теплоаккумулирующая способность материала зависит от его теплофизических свойств, в частности от коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости.
Исходные данные для расчета:
1. Характеристики материала:
λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);
С - теплоемкость материала, Дж/(кг·°С);
γ - плотность материала, кг/м3,
Тпл - температура плавления, °С.
2. Параметры нагревателя:
D - диаметр зоны воздействия, м;
N - мощность источника воздействия, Вт;
τ - длительность импульса, с.
3. Параметры оксидной пленки:
δ - толщина оксидной пленки, м;
Tп - температура образования оксидной пленки, °С (Tп<<Тпл);
µ - коэффициент выдержки при Tп для образования пленки толщиной δ.
4. Параметры изображения:
R - разрешение изображения, dpi;
Расчетные величины:
1. Размер пикселя изображения (В, м):
х - расстояние между зонами воздействия; у - расстояние между строками зон воздействия.
Количество строк
где
где V - скорость перемещения источника воздействия, м/с; F - частота перемещения источника воздействия, Гц; α - коэффициент, учитывающий "перекрытие" строк.
Число воздействий (n), необходимых для "закрашивания" строки пикселя, определяется из выражения:
2. Параметры зоны формирования оксидной пленки в пределах одного импульса:
- площадь зоны:
Так как длительность нагрева зоны воздействия определяется характеристиками источника нагрева и является величиной постоянной, то образование оксидной пленки заданных характеристик может регулироваться расстоянием между импульсами. Вследствие этого будет обеспечиваться прогрев поверхностных слоев материала до температуры образования оксидной пленки и необходимая для этого выдержка.
3. Тепловые характеристики
- количества тепла, необходимого для нагрева зоны воздействия одного импульса:
где t1 и t2 - температуры, с которой и до которой происходит нагрев, °С; 
- масса нагреваемого объема металла, кг;
- мощность источника теплового воздействия, необходимая для нагрева зоны воздействия одного импульса:
Количество тепла (Дж), необходимого для нагрева строки пикселя, определяется следующим образом
где mc - масса нагреваемого металла строки пикселя (кг), тогда количество воздействий для нагрева строки будет равно:
где β - коэффициент снижения мощности.
Используя (4), расстояние между зонами воздействия составит
В этом случае частота перемещения источника воздействий будет равна
где τн =µncτ - время нагрева одной строки.
Используя выражение (2), получим скорость перемещения источника воздействий
Обобщая вышеизложенное, после несложных преобразований получим выражения для определения технологических параметров устройства термоимпульсного воздействия
V=Fx
Выражения (13) устанавливают взаимосвязь технологических параметров установки локального импульсного нагрева (F,V), теплофизических свойств обрабатываемого материала (λ, С, Тпл), параметра оксидной пленки (Tп) и характеристики выводимого изображения (В).
Пример расчета технологических параметров устройства термоимпульсного нагрева для образования оксидной пленки заданного цвета
Необходимо рассчитать технологические параметры для образования оксидной пленки красно-коричневого цвета (t=580°С, толщина пленки 580 нм) на заготовке из стали 12Х18Н10Т толщиной 1,2 мм. Используем в качестве источника тепловой энергии лазер Nd-YAG с длительностью импульса 40 нс.
Для этой установки получены эмпирические зависимости взаимосвязи мощности (Вт), подводимой к нагреваемому образцу, и диаметра отпечатка (мкм) в зависимости от тока накачки лампы А (А), которые имеют вид:
| N=6,897+1,047А; | R=0,999 | σ=0,131 |
| D=8+6,25A; | R=0,974 | σ=5,079 |
В табл.1 представлены исходные данные и результаты расчета.
Таблица 1. Расчет режимов получения оксидных пленок с заданными колориметрическими характеристиками
| Таблица 1. | ||
| Расчет режимов получения оксидных пленок с заданными колориметрическими характеристиками | ||
| Материал сталь 12Х18Н10Т | ||
| λ=46 | tпл-20=1300 | γ=7900 |
| С=528 | ||
| Параметры оксидной пленки | ||
| tП-20=530 | δ=5,80Е-07 | |
| Цвет | Красно-коричневый | |
| Параметры нагревателя | ||
| A=13 | D=7,33E-5 | NИ=8.928 |
| τ=4E-8 | V1=5,78E-14 | |
| S1=4,2E-09 | M=4,57E-10 |
| N=6,719 | µ=10 | |
| θH=3,57E-06 | β=0.98 | |
| Параметры пикселя изображения | ||
| R=300 | В=0,00008 | τC=6,765Е-5 |
| Vc=1.72E-13 | mC=1,04E-9 | θc=3,94E-4 |
| τc=6.77E-4 | nC=169 | x=5E-7 |
| Технологические параметры | ||
| F=14782 | V=0,0074 | |
| Параметры оксидной пленки | ||
| τП-20=480 | δ=7,20Е-07 | |
| Цвет | Синий | |
| Параметры нагревателя | ||
| А=13 | D=7,33Е-5 | NИ=5,952 |
| τ=4Е-8 | V1=5,78Е-14 | |
| S1=4,2E-09 | m=4,57E-10 | |
| N=6,719 | µ=15 | |
| θн=3,57E-06 | β=0.98 | |
| Параметры пикселя изображения | ||
| R=300 | B=0,00008 | τC=6,765Е-5 |
| Vc=1,72E-13 | mC=1.04E-9 | θC=3,94E-4 |
| τс=6Е-4 | nC=102 | x=7,5E-7 |
| Технологические параметры | ||
| F=16321 | V=0,0135 |
Параметры оксидной пленки, представленные в таблице, взяты из статьи
А.Г.Рябухин, Ю.Н.Тепляков, С.В.Гусева. Окисление железа на воздухе при температурах 520-570°С. - Известия Челябинского научного центра, вып.1 (18), 2003 г. и книги Эванс Ю.Р. Коррозия и защита металлов. - М.: Металлургиздат, 1941. - 719 с. В методике расчета предусмотрены параметры: µ - коэффициент выдержки при Тп для образования пленки толщиной δ и Тп - температура образования оксидной пленки, °С, изменение которых приводит к образованию пленок с оттенками основных цветов, причем увеличение коэффициента выдержки приводит к появлению более светлых оттенков, а увеличение температуры образования оксидной пленки - к появлению более темных оттенков. При µ=10 получаем пленку заданного стандартного цвета.
На фиг.3 и 4 представлены изображения, полученные по рассчитанному режиму. Способ осуществляется с помощью известных лазерных комплексов, например лазерного гравировального комплекса D'MARK 06.
Входящие в состав комплекса источники термоимпульсного воздействия должны обладать малой инерционностью, т.е. время отклика на изменение режима должно быть меньше времени между импульсами, что является необходимым условием обеспечения требуемого температурно-временного режима получения изображения.
Цветовая палитра изображения, предназначенного для получения на металлической поверхности, должна быть обработана с использованием специальных программ (например, CorelDraw, CorelPhotoPaint, AdobeIllustrator, AdobePhotoShop) с целью приведения в соответствие с цветовой палитрой формируемых оксидных пленок для данного металла.
1. Способ получения цветного изображения на металлических поверхностях, включающий термоимпульсное воздействие на металлическую поверхность материала источником тепловой энергии с одновременным охлаждением на воздухе или в кислородосодержащей газовой среде, при этом источник тепловой энергии перемещают относительно металлической поверхности или материал перемещают относительно источника тепловой энергии, а режим термоимпульсного воздействия и расстояние между зонами воздействия определяют в зависимости от теплофизических характеристик материала и параметров изображения таким образом, чтобы в зоне воздействия создавалась температура, необходимая и достаточная для образования оксидной пленки с заданной колориметрической характеристикой, отличающийся тем, что режим термоимпульсного воздействия и расстояние между зонами воздействия определяют путем расчета по следующим формулам:
V=Fx,
где β- коэффициент снижения мощности; N - мощность воздействия, Вт; µ - коэффициент выдержки; С - теплоемкость материала, Дж/(кг·°С); m - масса зоны образования оксидной пленки, кг; Тп - температура образования оксидной пленки, К; F - частота перемещения источника теплового воздействия, Гц; τ - длительность импульса, с; х - расстояние между зонами воздействия, м; mс - масса нагреваемого металла строки пикселя, кг; В - размер пикселя изображения, м; V - скорость перемещения источника теплового воздействия относительно материала или материала относительно источника теплового воздействия, м/с, причем диаметр D зоны воздействия на металлической поверхности меньше или равен размеру пикселя наносимого изображения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термоимпульсное воздействие осуществляют источником лазерного или плазменного излучения или электроннолучевого или электрического импульсного нагрева, обеспечивающего локальный нагрев поверхностных слоев металла.
