Символьная метка прямого нанесения, способ изготовления и идентификации символьной метки прямого нанесения
DIRECTLY APPLIED SYMBOL TAG, METHOD FOR MANUFACTURE AND IDENTIFICATION OF DIRECTLY APPLIED SYMBOL TAG

Настоящее изобретение относится к области разработки оптических и оптико-электронных средств маркировки, аналогово-цифрового кодирования и декодирования различных объектов и изделий. Более конкретно оно относится к методам и системам нанесения информационных меток непосредственно на маркируемый предмет - символьных меток прямого нанесения (СМПН - «Direct Part Marking» - DPM).
Из уровня техники известен способ изготовления маркировки прямого нанесения (МПН), состоящей из информационных элементов (ИЭ) на поверхности маркируемой детали, включающий формирование углублений путем игло-ударного воздействия на поверхность маркируемой детали, отличающийся тем, что после первичного игло-ударного воздействия перед последующими игло-ударными воздействиями между иглой игло-ударной установки и поверхностью маркируемой детали дополнительно помещают материал, отличный от материала поверхности маркируемой детали, и проводят следующее игло-ударное воздействие, при этом повторяют упомянутые операции, последовательно перемещая в углубления материал или различные материалы с образованием информационных элементов МПН. При этом материал, который в процессе изготовления МПН последовательно перемещают в углубления с образованием информационных элементов МПН, отличается от материала маркируемой детали по спектру флуоресценции, или/и спектру возбуждения флуоресценции, или/и коэффициенту отражения, или/и коэффициенту поглощения электромагнитных излучений по меньшей мере в одном диапазоне их спектра, таком как рентгеновском, микроволновом, УФ, ИК, или видимом (патент RU 2637041 C2 29.11.2017).
Известна также машиносчитываемая маркировка прямого нанесения, состоящая из информационных элементов, выполненных на поверхности маркируемого изделия лазерной обработкой и заполненных флуоресцентной композицией, отличающаяся тем, что на поверхности машиносчитываемой маркировки прямого нанесения создан микрорельеф, формирующий информационные элементы, содержащий структуру из чередующихся полос или областей, обработанных лазерным излучением с равными либо различными очертаниями, размерами и формами и полос или областей, не обработанных лазерным излучением, причем очертания, размер и форма зависят от степени воздействия лазерным излучением, микрорельеф выполнен с возможностью заполнения с прочной адгезией поверхности информационных элементов флуоресцентной композицией, позволяющей однозначно установить подлинность маркировки (патент RU 2665867 C1 04.09.2018).
Наиболее близким аналогом является верифицируемая символьная метка прямого нанесения состоящая из информационных элементов, сформированных на поверхности маркируемой детали в форме конических углублений при игло-ударной маркировке или участков поверхности с микротрещинами и шероховатостями, изменившими ее оптические свойства, обработанных лазерным излучением и при лазерной гравировке заполненные маркирующей композицией (патент RU 2445700 С1 20.03.2012).
Недостатками известных решений является то, что при использовании флуоресцентной композиции возбуждающее излучение для большинства люминофоров поглощается тонким поверхностным слоем композиции толщиной 50-100 мкм. Только этот слой генерирует флуоресцентный сигнал, в то время как более глубокие слои не участвуют во взаимодействии с возбуждающим флуоресценцию излучением. При обычной маркировке (черной, белой или цветной краской, чернилами) контрастность также обеспечивается как правило верхним слоем покрытия.
При этом отсутствует возможность повысить контрастность за счёт увеличения толщины слоя краски или флуоресцентной композиции, поскольку последнее в большинстве случаев невозможно при считывании маркировки оптическими методами: маркировка такой краской по металлу не становится в два раза более контрастной, если нанести её в два слоя.
Технической проблемой заявленного изобретения является повышение надёжности идентификации символьной метки.
Технический результат заключается в повышении контрастности изображения маркировки символьной метки на рентгеновском снимке. Кроме того, предложенное решение позволяет считывать в рентгеновском спектральном диапазоне машиносчитываемую метку, если она закрыта непрозрачной в видимом свете средой, а также идентифицировать неоднородности металла, включая сварные соединения, видимые в рентгеновском спектральном диапазоне, размещая метку и неоднородность на одном снимке.
Указанный технический результат достигается в символьной метке прямого нанесения (СМПН), состоящей из информационных элементов сформированных на поверхности маркируемой детали в форме конических углублений при игло-ударной маркировке или участков поверхности с микротрещинами и шероховатостями, изменившими ее механические свойства, обработанных лазерным излучением и при лазерной гравировке, заполненные маркирующей композицией, при этом маркирующая композиция содержит рентген-контрастное вещество, имеющее поглощение в рентгеновском спектральном диапазоне большее, чем поглощение материала маркируемой детали, а толщина слоя указанной маркирующей композиции выбирается так, чтобы поглощение рентгеновского излучения промаркированным участком превышало его поглощение непромаркированной поверхностью.
В маркирующей композиции, заполняющей конические углубления или участки поверхности с микротрещинами и шероховатостями, содержится полимерная основа с рентген-контрастным веществом.
Атомный номер элементов, содержащихся в рентген-контрастном веществе больше атомного номера маркируемого материала по меньшей мере два раза.
Указанный технический результат достигается также в способе получения и идентификации символьной метки прямого нанесения, заключающийся в том, что на подготовленную поверхность маркируемого объекта наносят информационные элементы в форме конических углублений путем игло-ударной маркировки или участков поверхности с микротрещинами и шероховатостями, изменившими ее механические свойства посредством обработки лазерным излучением и лазерной гравировки, заполняют нанесенные информационные элементы маркирующей композицией, маркирующая композиция содержит рентген-контрастное вещество, имеющее поглощение в спектральном диапазоне большее чем поглощение материала маркируемой детали, а слой маркирующей композиции в нанесенных информационных элементах формируют таким, чтобы поглощение рентгеновского излучения промаркированным участком превышало его поглощение непромаркированной поверхностью, воздействуют на маркируемый объект рентгеновским излучением для получения двумерных снимков, по которым осуществляют идентификацию.
Заявленное техническое решение поясняется с использованием графических материалов.
Фиг. 1 - Внешний вид маркировки, в которой в качестве рентген-контрастного вещества использован металлический свинец.
Фиг.2 - Рентгеновский снимок и вид в флуоресцентном излучении маркировки, содержащей оксид висмута (III) в качестве рентген-контрастного вещества, а также желтый флуоресцентный пигмент.
Символьная метка прямого нанесения (СМПН) представляет собой поверхность объекта, на которой записана оптическая информация, маркированная игло-ударным методом таким образом, что на поверхности образуются конические углубления или участки поверхности с микротрещинами и шероховатостями, изменившими ее оптические свойства, обработанные лазерным излучением и при лазерной гравировке.
Углубления и отверстия заполняются маркирующей композицией, содержащей рентген-контрастное вещество. Главная особенность и отличие заявленного изобретения от других технологий маркировки - использование явления поглощения и рассеяния (далее - поглощения) рентгеновского излучения, а не флуоресценции, что позволяет достичь значительно более высокой контрастности. В рентгеновской маркировке используется весь слой нанесенной маркирующей композиции, что позволяет значительно увеличивать контрастность за счёт увеличения толщины слоя. При этом толщина слоя маркирующей композиции выбирается так, чтобы поглощение рентгеновского излучения промаркированным участком превышало его поглощение непромаркированной поверхностью.
Экспоненциальный коэффициент поглощения рентгеновского излучения возрастает пропорционально третьей степени атомного номера элементов, которые есть в маркирующей композиции. Химические элементы с высокими атомными номерами значительно увеличивают контрастность маркировки.
При использовании только флуоресцентной композиции возбуждающее излучение для большинства люминофоров поглощается тонким поверхностным слоем композиции толщиной 50-100 мкм. Только этот слой генерирует флуоресцентный сигнал, в то время как более глубокие слои не участвуют во взаимодействии с излучением.
При обычной маркировке (черной, белой или цветной краской, чернилами) контрастность также обеспечивается как правило верхним слоем покрытия. Маркировка обычной краской по металлу не становится в два раза более контрастной, если нанести её в два слоя.
Рентгеновское излучение поглощается всем слоем вещества на траектории от источника до фотопластины или фотодетектора, а не только поверхностным слоем. В данном случае увеличение толщины слоя маркирующего вещества приводит к увеличению контрастности информационного элемента маркировки по закону светопоглощения:
0
I = Iexp(-kd), где:
0
I - начальная интенсивность излучения,
I - интенсивность излучения после прохождения слоя,
d - толщина слоя,
k - коэффициент пропорциональности.
Для рентгеновского излучения, коэффициент k из формулы выше зависит от третьей степени атомного номера элемента, с которым взаимодействует излучение. У типичных компонентов сплавов атомный номер невелик: у железа - 26, титана - 22, алюминия - 13, углерода - 6, а у элементов, которые предлагается вводить в маркирующую композицию, он значительно выше - 83 у висмута, 82 у свинца. Висмут является последним нерадиоактивным элементом в Периодической таблице, более высокую контрастность могут показать слаборадиоактивные изотопы тория (номер 90) и урана (номер 92), однако они дороги и труднодоступны.
Атомные номера в составе маркируемого материала и маркирующей композиции отличаются в 3 и более раз, а значит ослабление ими рентгеновского излучения - более чем в 27 раз. Даже с учётом того, что тяжелые атомы составляют порядка 20-30% от числа атомов в композиции, рентген-контрастность композиции остаётся высокой. На рентгеновских снимках чёрных сплавов углубления и царапины глубиной порядка 0,1 мм различимы визуально и проявляются как чёрные линии на сером фоне. Такие же углубления, заполненные рентген-контрастной композицией видны как светлые линии. При глубине элементов маркировки в 0,4-0,5 мм и заполнении их такой композицией яркость изображения элементов на снимке возрастает экспоненциально - в 20-50 раз. Ввиду этого, выглядит наиболее эффективным сочетание рентген-контрастной композиции с технологией иглоударной маркировки, т.к. она позволяет создавать в маркируемом материале углубления до 0,4-0,5 мм.
Ключевое отличие предлагаемой технологии заключается в том, что с её помощью можно достигнуть высокой контрастности изображения маркировки на рентгеновском снимке ввиду значительного увеличения поглощения излучения с ростом атомного номера элемента (82 у висмута против 26 у железа) а также возможности повысить контрастность за счёт увеличения толщины слоя маркирующей композиции. Последнее в большинстве случаев невозможно при нанесении маркировки оптическими методами (краски, чернила) или флуоресцентными.
Способ изготовления и идентификации СМПН заключается в следующем.
На подготовленную (очищенную, обезжиренную, шлифованную, при необходимости с нанесенным праймером (промотором адгезии)) поверхность маркируемого объекта наносятся информационные элементы путем создания конических углублений или участков поверхности с микротрещинами и шероховатостями, изменившими ее механические свойства посредством воздействия игло-ударной маркировки, лазерным излучением, лазерной гравировки.
После маркировки производится заполнение информационных элементов, состоящих из конических углублений или участков поверхности с микротрещинами и шероховатостями, изменившими ее механические свойства  маркирующей композицией, содержащей рентген-контрастное вещество, имеющее поглощение в рентгеновском спектральном диапазоне большее, чем поглощение материала маркируемой детали, при этом толщина слоя указанной полимерной маркирующей композиции выбирается так, чтобы поглощение рентгеновского излучения промаркированным участком превышало его поглощение непромаркированной поверхностью. При этом маркирующая композиция может также содержать и флуоресцентный краситель.
Заполнение углублений может также осуществляться непосредственно во время иглоударной маркировки в том случае, если маркиратор снабжен механизмом впрыска маркирующей композиции в углубления.
Внесение флуоресцентного красителя помимо рентген-контрастного вещества в маркирующую композицию позволяет считывать маркировку не только с рентгеновского снимка, но и непосредственно с поверхности маркирующего изделия
Примеры состава флуоресцентных композиций (в % по массе):
Пример 1
Полимерная основа - дисперсия кремнийорганического полимера в неполярных органических растворителях - 68-96%
Люминофор - 3-30%
Диспергирующие и смачивающие добавки - 1-2%.
Пример 2
Полимерная основа - дисперсия органического полимера поливинилацетата в воде - 48-95%
Люминофор - 3-50%.
Диспергирующие и смачивающие добавки - 1-2%.
Примеры состава рентген-контрастных композиций (в % по массе):
Пример 3 (композиция со средней контрастностью)
Полимерная основа - дисперсия кремнийорганического полимера в неполярных органических растворителях - 45-89%
Рентген-контрастное вещество - оксид висмута (III) - 10-50%.
Диспергирующие и смачивающие добавки - 1-5%.
Пример 4 (композиция с высокой контрастностью)
Полимерная основа - дисперсия кремнийорганического полимера в неполярных органических растворителях - 65-94%
Рентген-контрастное вещество - оксид тория (IV) - 5-30%
Диспергирующие и смачивающие добавки - 1-5%.
Пример 5 (композиция с малой контрастностью)
Полимерная основа - дисперсия кремнийорганического полимера в неполярных органических растворителях - 60-94%
Рентген-контрастное вещество - сульфат бария 5-30%
Диспергирующие и смачивающие добавки - 1-10%.
Далее воздействуют на промаркированный объект рентгеновским излучением для получения двумерных снимков по которым осуществляют идентификацию объекта.
Ключевое отличие заявленного изобретения от прототипа заключается в использовании рентген-контрастной, а не флуоресцентной композиции. Контрастность этой композиции основана на ином физическом принципе, по сравнению с флуоресценцией и это позволяет регулировать контрастность путём изменения толщины слоя композиции, что было подробно описано выше.