Цветная лазерная маркировка стекла
Введение
Стекло — это один из самых востребованных и используемых материалов в различных областях жизни человека: от медицины до архитектуры, от посуды до микрочипов в устройствах. В такой важной отрасли, как медицина стеклянные сосуды и аппараты играют важную роль в диагностике и лечении различных заболеваний. В пищевой промышленности стеклянная посуда обеспечивает надежную упаковку многих продуктов, сохраняя их качество на длительное время. Однако стоит помнить, что стекло — хрупкий и «капризный» материал, поэтому его обработка может быть сопряжена с определенными рисками, лазерная обработка — не исключение.
Для обеспечения прослеживаемости и использования стекла в различных отраслях промышленности, проводится его маркировка. Такая маркировка стекла осуществляется с различными целями, включая использование в сувенирной, строительной, оптической, медицинской, машиностроительной, приборостроительной, интерьерной, электротехнической и бытовой сферах и других отраслях промышленности.
Существует много способов маркировки стекла: механическое воздействие (гравировка, пескоструйная или ультразвуковая маркировка), химическое воздействие и окрашивание. Однако лазерная маркировка является самой прогрессивной, так как исключает основные недостатки других методов: низкую точность, использование расходных материалов, недолговечность маркировки и другие проблемы.
Лазерная маркировка стекла имеет множество преимуществ, что делает её все более популярной в процессах маркировки. Например, в процессе создания светлого матового изображения на прозрачной поверхности.
Фотография взята из открытых источников.
Важно упомянуть, что возможности лазерной обработки стекла ограничены из‑за риска перегрева материала, что может привести к появлению сколов и трещин в лучшем случае, а в худшем — к разлету стекла на маленькие осколки, представляющие опасность для окружающих. Несмотря на это, благодаря последним технологическим прорывам появилась возможность осуществлять лазерную маркировку на стекле, в том числе цветную без разрушения материала.
Для получения маркировки без повреждения стекла можно использовать метод переноса контрастного материала на стеклянную поверхность.
Схема процесса переноса.
Инженерам нашей компании удалось реализовать перенос донорского материала на стекло с помощью лазера и получить нанесение разноцветных изображений с высоким разрешением (размер точки не превышает 30 мкм). Данный метод носит название Backward‑LIFT (backward laser induced film transfer), и уже сегодня применяется для маркировки как крупных, так и невероятно мелких стеклянных изделий.
Вкратце про этот процесс и как он работает мы сейчас расскажем в этом обзоре.
С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научной статье.
Авторы научной статьи: A. Ramos-Velazquez, J. Amiaga, D. Pankin, G. Odintsova, R. Zakoldaev, V. Veiko.
Название: Laser-induced micro-scale polychrome marking of glass materials (Materials Letters, 2023).
Метод получения цветной маркировки на стекле с помощью лазера
Цветная маркировка на стекле создается при помощи донорского материала (то есть, стекло — акцептор, разные металлы — донор). Из часто используемых донорских материалов можно выделить медь, алюминий и графит. Каждый из этих металлов придаёт маркировке свой цвет: медь — красный, алюминий — серый, графит — черный.
Процесс нанесения цветной маркировки на стекле начинается с установки самого стекла и металла на специально подготовленное рабочее поле лазерной установки. Затем лазерный луч «проходит» через стекло и попадает на металл. При поглощении лазерного излучения, металл на поверхности стекла испаряется, перелетает зазор между образцом и стеклом, и создает оксидную пленку, оседая на стекле. В итоге формируется уникальный и рисунок с определенным цветом и контрастностью.
Схема процесса технологии Backward-LIFT. Схема из личного архива исследователя. В экспериментах использовалась волоконная лазерная система с наносекундным импульсом (тип лазера — волоконный, тип установки — ТурбоМаркер, λ = 1064 нм, τ =4–100 нс, ν = 20 кГц, мощность излучения <20Вт)
Если нужно создать более сложную цветную маркировку на стекле, то используются поэтапно разные донорские материалы, каждый из которых может предоставить только один цвет. Поэтому, чтобы создать рисунок с использованием нескольких цветов, необходимо менять донор, что делает процесс нанесения маркировки более трудоемким.
Метод Backward-LIFT
Ученые нашей компании предложили новый метод цветной маркировки на стекле, используя многокомпонентный донорский сплав — латунь, в составе которой содержатся металлы с разной концентрацией: свинец, медь, фосфор, цинк, железо, серебро, сурьма, висмут.
На поверхности стекла образуется оксидная пленка, которая придает маркировке разнообразные оттенки в зависимости от образующих оксидов металлов, входящих в состав латуни:
Красный цвет появляется из-за осаждения куприта, который формируется в результате взаимодействия меди с кислородом. Куприт обладает красной окраской и придает маркировке стекла теплый и яркий оттенок.
Желтый цвет возникает из-за осаждения дефектного оксида цинка.
Зеленый цвет появляется благодаря взаимодействию куприта, дефектного оксида цинка и различных оксидных состояний меди. В результате образуются оксидные комплексы, которые отвечают за зеленую окраску. Эта комбинация элементов придает маркировке зеленый оттенок.
Таким образом, сочетание разных оксидов на поверхности стекла является причиной возникновения разнообразных цветов маркировки и создания яркого и интересного визуального ряда.
Палитра цветов и оттенков, которые можно сделать с помощью технологии Backward-LIFT. Фотографии из личного архива исследователя.
Тестовый образец. Фотографии из личного архива исследователя.
Итак, к преимуществам метода Backward-LIFT:
Износостойкая и надежная маркировка. Это достигается путем осаждения материала-донора внутри стекла с помощью выбора оптимальных параметров лазерной обработки. Плазма, образующаяся в результате лазерной обработки, имплантирует материал-донор внутрь стекла, что обеспечивает высокую стойкость и устойчивость к истиранию. Такая маркировка особенно актуальна для использования в условиях, требующих отслеживания или идентификации, а также для маркировки значимых товаров.
Создание высококонтрастных цветных маркировок на стекле. Данный метод цветной маркировки на стекле обладает высокой точностью и возможностью создания сложных графических элементов и даже изображений. Это открывает широкие возможности для использования маркировки на стекле в рекламных и маркетинговых целях, например, для создания логотипов, названий брендов или продуктов, а также для украшений стеклянных изделий и посуды.
Логотип компании — пример, как можно использовать разноцветную маркировку в маркетинге. Фото из личного архива исследователя.
Рисунок «Солнечные крылья» в стиле контурного рисунка — пример, как можно использовать разноцветную маркировку в искусстве. Фото из личного архива исследователя.
Отсутствие рисков деформации материала. Метод Backward-LIFTпозволяет создавать цветную маркировку на стекле, не создавая микротрещин на поверхности, что часто встречается в технологиях, которые применяются в других методах маркировки, например, с помощью газового лазера — СО2. Таким образом, новый метод обеспечивает маркировку на стекле без риска термодеформации материала и сохранения его целостности. Это особенно важно для использования в создании декоративных украшений и медицинской техники.
Доступность для промышленности. Использование техники лазерно-индуцированной передачи (LIFT) для создания цветных маркировок на материалах, прозрачных для инфракрасного излучения (1064 нм), представляет значительное преимущество для промышленности. Этот метод позволяет не использовать множество чистых металлов для создания различных цветовых оттенков. Кроме того, можно осуществлять цветную маркировку на более доступном по цене лазерном станке.
Примеры использования метода Backward-LIFT с мелкими деталями
QR-коды
Цветные QR-коды, созданные на стекле с помощью непрямой лазерной маркировки. Фото из личного архива исследователя.
С помощью данного метода можно успешно маркировать стекло, создавая на его поверхности полихромные QR‑коды.
Цветной QR-код, созданный на стекле с помощью непрямой лазерной маркировки. Фото из личного архива исследователя.
Размеры QR‑кодов могут быть от 1 до 5 мм, с минимальным размером элемента около 30 мкм. Сам процесс займёт не более 2х секунд.
Ученые также учли возможность чтения мобильным устройством кодов размером в квадратный миллиметр. Если размеры кодов меньше, то понадобится специальная система увеличения.
Микрометрические шкалы
Backward‑LIFT метод позволил ученым нанести маркировку на микрометрические шкалы на стеклянных окулярах. Эти шкалы играют важную роль в многих областях, включая научные исследования, медицину и промышленность. Они позволяют ученым и специалистам получать точные измерения размеров микроскопических объектов, таких как клетки и бактерии. Это особенно важно, поскольку некоторые детали микроскопических объектов сложно или невозможно увидеть невооруженным глазом.
Микрометрические шкалы на стеклянных окулярах, созданные с помощью непрямой лазерной маркировки.Фото из личного архива исследователя.
Итоги
Таким образом, метод Backward‑LIFT представляет собой значимое достижение в области лазерной маркировки, что в будущем позволит найти и воплотить новые идеи и решения в искусстве, ювелирной промышленности, метрологии, микроскопии и медицине.
Учитывая огромное количество стеклянных изделий, которые окружают нас повсюду, существует большая потребность в эффективных и недорогих методах качественной маркировки стекла.
На данный момент ученые продолжают активные исследования и разработки, направленные на расширение возможностей метода Backward‑LIFT — о новых сферах применения мы обязательно расскажем здесь.
Мы также заинтересованы в вашем мнении и предложениях относительно применения метода Backward‑LIFT.
Поделиться своими идеями и вариантами использования данной технологии можете в комментариях:)
Ознакомиться с полной версией научной статьи можно тут.
Авторы научной статьи: A. Ramos-Velazquez, J. Amiaga, D. Pankin, G. Odintsova, R. Zakoldaev, V. Veiko.
Тема: Laser-induced micro-scale polychrome marking of glass materials (Materials Letters, 2023).
