Технология лазерной маркировки серийных изделий из металлических и полимерных материалов в целях их учета и идентификации

ШШШШША

УДК 621.378

Технология лазерной маркировки серийных изделий из металлических и полимерных материалов в целях их учета и идентификации

О. Ю. Ганзуленко, Е. В. Ларионова, А. П. Петкова

Статья посвящена разработке технологических регламентов формирования графической (цветной) информации и наноразмерных контрастных изображений штрихкодов на поверхности изделий в процессе их лазерной обработки. Приведены технология нанесения штрихкодов на поверхность металлов и полимеров, а также методика получения цветных логотипов на металлической поверхности. В статье представлены варьируемые параметры маркировочного лазерного комплекса. Разработанная технология рекомендуется для промышленного использования (машиностроение, автомобилестроение, авиастроение, железнодорожный транспорт) и широкого применения маркировки серийных изделий из различных материалов в целях защиты их от подделок и идентификации.

Ключевые слова: штрихкод, лазерное излучение, температурно-временной режим, оксидный слой, считывание сканером.

Применяемые сейчас способы защиты и идентификации готовой продукции, такие как голограммы, штрихкоды, микронадписи и др., не позволяют кардинально решить данную проблему, так как их наносят на промежуточные носители информации (бумагу, пластик и др.), а не непосредственно на само изделие. Соответственно они могут быть относительно легко подделаны и утеряны при эксплуатации изделий. В тех же случаях, когда метки наносят на само изделие, применяемые методы сильно деформируют поверхность деталей (метод «питов», метод «лазерной насечки») и, самое главное, не позволяют записать большой объем информации об изделии.

Прямое, непосредственное штрихкодирова-ние, особенно металлических и полимерных изделий, как правило, не применяется. До последнего времени это было связано с отсутствием эффективного высокоскоростного, гибкого метода нанесения штрихкода непосредственно на материал изделия и устройства, которое бы считывало его непосредственно с этих материалов. С разработкой лазерной маркировки появилась реальная возможность решить проблему штрихового кодирования

непосредственно металлических и пластиковых изделий при их производстве для автоматизированного учета и контроля, тогда как современные промышленные сканеры далеко не всегда учитывают специфические свойства металлов и пластиков и, таким образом, не гарантируют уверенное считывание.

В настоящее время используется огромное количество символик. Наиболее распространенными из одномерных считается ЕАЫ-13 (рис. 1, а), из двумерных — иСС/ЕАЫ-128 и РБГ-417 (рис. 1, б, в).

Нанесение непосредственно на поверхность маркируемого объекта импульсным лазерным воздействием графического (в том числе цветного) изображения логотипа предприятия и одновременно создание на его поверхности лицевой карты изделия (информационного поля) позволяют обеспечить защиту маркируемой продукции от подделок и одновременно хранить определенный объем технической и иной информации, необходимой для обеспечения его надежной и долгосрочной эксплуатации, непосредственно на самом изделии. Введенные в информационное поле данные будут сохраняться без изменений и потерь в течение всего

749574

257341

б)

в)

(00)475487568987590798(10)5857

Рис. 1. Основные типы штрихкодов, используемые для маркировки продукции: а — линейный ЕЛЫ-13; б — двумерный иСС/ЕЛЫ-128; в — матричный РБЕ-417

срока эксплуатации изделия, а при аварийном разрушении изделия позволят, используя имеющуюся в лицевой карте информацию, сделать объективное экспертное заключение о причине аварийного разрушения изделия.

При воздействии лазерного луча на металлы и неметаллические материалы происходит нагрев с возможным оплавлением и (или) частичным испарением поверхности материала. Это приводит к появлению следа (отпечатка) на участке воздействия лазерного луча. Таким образом, перемещая луч относительно поверхности образца, можно получить на поверхности то или иное видимое изображение в виде цифр, букв, знаков или рисунков.

Формирование цвета происходит не с первого импульса, а на некотором расстоянии от начала строчки. Это характерно как для лазеров с наличием эффекта первого импульса, так и оснащенных системой подавления первого импульса. Последующее наложение импульсов с шагом йх приводит к формированию цвета вплоть до последнего импульса. Температурно-временной режим образования оксидных структур зависит от взаимного расположения рядом стоящих импульсов:

dx = V, F

где йх — расстояние между импульсами, м; V — скорость перемещения луча, м/с; ¥ — частота следования импульсов, Гц.

В исследованиях [1] было экспериментально установлено, что для получения цвета, отличного от цвета металла и видимого глазом, минимальный размер строки должен составлять приблизительно два отпечатка луча лазера, т. е. размер пикселя по оси х должен быть не менее 2В, где В — диаметр отпечатка луча лазера. Это соотношение также обусловлено тем, что при формировании следующей строки другим цветом рядом с предыдущей нагрев от первого импульса может привести к искажению цвета последнего импульса первой строки.

Методика получения цветных логотипов на металлической поверхности

Для формирования битового изображения в виде логотипов на металлической и полимерной поверхности использовалась программа LTCEdit для управления лазерным маркирующим комплексом «ДМарк-6»1. Данная программа разбивает изображение логотипа на параллельные отрезки. Одна строка по габаритным размерам изображения может содержать несколько отрезков, на которых формируется оксидная пленка. Разработанный в программе-редакторе управляющий файл с изображением логотипа или штрихкода при помощи программы-исполнителя Marker по заданной программе формирует цветное изображение или информационное поле на поверхности маркируемого изделия [1, 2] (рис. 2).

При перемещении от отрезка к отрезку лазер находится в выключенном состоянии. Перед включением излучения происходит позиционирование лазерного луча в начальные координаты формируемого отрезка. Затем производится непрерывное воздействие импульсами с заданной частотой и одновременным перемещением луча до окончания отрезка. Перед сменой позиционирования в начало следующего отрезка лазерное излучение отключается. Таким образом, происходит постепенное заполнение обрабатываемой площади.

Основные характеристики прецизионного лазерно-гравировального комплекса (ПЛМК) «Д'Марк-06» представлены ниже:

Общие характеристики

Размеры зоны обработки, мм . . . . 100x100

Скорость обработки, м/с........ от 1 до 2500

Ширина линии с автоматическим заполнением, мм..........................0-3

1 Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.1095.

0749574257341

00475487568987590798105857

Filmbars 3.0 ...Filmbars 3.0 ...Filmbars 3.0 ...Filmbars 3.0 ...

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Примеры нанесения на изделия из металлов (а, в, г) и полимеров (б) логотипа предприятия (а, б), линейного (в) и двумерного (г) штрихкода

Шрифт.................... TrueType,

векторный

Выводимые изображения....... Векторные,

растровые

Потребляемая мощность (~220 В,

50 Гц), Вт.................. Не более 1200

Параметры лазерного излучателя

Длительность импульсов излучения, нс 40 Частота повторения импульсов, кГц . . . 0,1-100 Средняя мощность при частоте повторения импульсов излучения

Диаметр пучка излучения, мкм............80-100

Масса излучателя, кг............................2,4

В качестве варьируемых технологических параметров лазерного комплекса использовались следующие:

• ток накачки диодной линейки I = 7-18 А;

• частота следования импульсов F = 0,390 кГц;

• скорость маркировки V = 3 • 10-3^1 м/с.

Обработка металлической поверхности воздействием лазера проводилась в кислородной среде (на воздухе) при комнатной температуре. В целях снижения мощности лазерного излучения использовалась расфокусировка, т. е. увеличение или уменьшение фокусного расстояния относительно фокальной плоскости.

При определенной комбинации вышеперечисленных варьируемых параметров лазерного комплекса на металлических материалах производится формирование оксидных пленок путем воздействия лазерного излучения на поверхность металлического образца. При лазерной маркировке пластмасс изображение получается за счет изменений цвета и (или) структуры поверхности. Повышение интенсивности излучения путем варьирования основных технологических параметров увеличивает температуру пластика выше точки плавления, в результате чего материал начинает плавиться и испаряться, структура

поверхности приобретает вид канавки (гравировки). Эта температура может быть различной в зависимости от полимера, даже внутри одного семейства полимеров. При относительно высокой интенсивности лазера локальное испарение материала дополняется обугливанием (карбонизацией) обрабатываемой поверхности, при этом цвет маркировки становится черным (темным). При определенных параметрах излучения лазера происходит диссоциация (распад) молекул веществ, входящих в состав пластика, которая приводит к цветовым изменениям. Это позволяет избежать нагрева и получить относительно гладкую поверхность маркировки, но требует соответствующего состава пластика, поскольку не все полимеры поддаются лазерной гравировке и маркировке.

Методика нанесения штрихкодов

на поверхность металлов и полимеров

Для формирования битового цветного изображения в виде штрихкода на металлической поверхности используется вышеуказанный программный продукт LTCEdit для управления лазерным маркирующим комплексом «ДМарк-6», используемым для нанесения изображений на поверхности материалов, который имеет в своем составе функцию для создания изображения штрихового кода в формате 1ТК

Диаметр отпечатка на металлической поверхности определялся в зависимости от тока накачки диодной линейки в соответствии с данными [1]. Исходя из размера диаметра отпечатка рассчитывалось количество линий, необходимое для формирования на металлической поверхности линии, соответствующей ширине одного модуля (0,33 мм).

0123456787650

Таблица 1

Цветовые сочетания штриховых кодов

Считываемые сканером Синий Коричневый Черный Зеленый

На белом

На желтом

На оранжевом

Считываемые при определенных условиях Синий Коричневый Черный Зеленый

На красном

Не считываемые при определенных условиях Черный на ярко-зеленом Черный на бледно-зеленом Черный на синем Черный на коричневом

Не считываемые сканером Красный на ярко-зеленом Красный на синем Черный на золотом Оранжевый на золотом

Красный на золотом Красный на светло-коричневом Синий на бледно-зеленом Желтый на белом

Красный на белом Светло-коричневый на белом Золотой на белом Оранжевый на белом

Штрих шириной 1 мм состоит из трех таких модулей.

Для обеспечения уверенного считывания штрихкода необходимо создавать штрихи, которые будут контрастировать с поверхностью металла по цвету, а если это невозможно, поле штрихкода обрабатывается режимом, обеспечивающим контрастный цвет по отношению к цвету штрихкода. Цветовые сочетания штрихкодов, считываемые и не считываемые сканером, приведены в табл. 1.

Возможные цветовые оттенки штрихкодов определяются свойствами оксидов, создаваемых лазерным излучением на поверхности обрабатываемых материалов.

Для определения вероятности считывания штрихкода с поверхности изделия рассчитываем толщину оксидного слоя выбранного цвета, полагая, что она будет равна глубине проникновения ионов кислорода в металл за время взаимодействия лазерного излучения с его поверхностью. Учитывая сделанные допущения, толщину окисного слоя Н можно рассчитать следующим образом:

Н = во тв

лазерной установки, с; N — количество импульсов; N = Ь/йх (Ь — ширина штриха, мм; йх — смещение следующего импульса, мм).

Значения твз и Во определяются по данным [3]. Лазерное излучение, падающее на обрабатываемую поверхность, поглощается в соответствии с экспоненциальным законом Бугера-Ламберта:

1(х) = 10ехр(-ах),

Здесь Во — коэффициент диффузии ионов кислорода в структуру металла; твз = тN — время взаимодействия лазерного излучения с материалом, с, где т — длительность импульса

где 1(х) — интенсивность лазерного излучения, проникшего в материал на глубину х; 10 — интенсивность падающего на объект лазерного излучения (для простоты вклад отражения не учитывается); а — показатель поглощения.

Светочувствительная матрица считывающего устройства способна фиксировать разницу интенсивности отраженного излучения в е (число Эйлера) раз. Оксидный слой толщиной 10/1 < е имеет недостаточную поглощательную способность, и соответственно штрихкод может некорректно считываться или не считы-ваться вообще. Слои, имеющие степень контрастности 10/1 > е, обеспечивают уверенное считывание штрихового кода.

Используя изложенную методику и стандартный программный продукт ЬТСЕШ1;, поставляемый с лазерным маркировочным

ШШШШША

Таблица 2

Технологические регламенты обработки шести металлических материалов для нанесения контрастных штрих-кодов [И, О и Б — компоненты разложения цвета пикселя на три составляющие: красный (И), зеленый (О) и синий (В)]

Материал Ток накачки, А Частота импульсов, кГц Скорость маркировки, 10-3 м/с Разрешение, dpi И О В

12Х17 14 15,5 3 508 128 128 128

Л63 18 51,0 11 508 36 43 45

Силумин 18 21,3 10 508 11 11 11

ВТ1-0 18 20,0 5 508 3 3 3

08Х18Н10Т 14 15,5 3 508 128 128 128

Цирконий 13 52,4 42 508 10 10 10

комплексом, были определены режимы формирования штрихкода (информационного поля) для различных металлических материалов. В табл. 2 приведены режимы обработки шести металлических материалов, обеспечивающие воспроизводимость цвета и достаточную контрастность штрихов на металле.

Результаты экспериментального формирования штрихкодов представлены на рис. 3. Следует отметить, что для полированных образцов № 5 использовался дополнительный режим для создания контрастного фона. Этот режим заключается в создании на поверхности сплава участка светлой матовой основы в области нанесения собственно самого штрих-кода в целях увеличения контрастности. Критерием качества нанесенного штрихкода принято считать его считывание сканером с первого раза.

В результате применения приведенных режимов полученные изображения штрихкодов,

нанесенные на перечисленные металлические материалы, считывались стандартным сканером с первого раза.

Исследования возможности нанесения идентификационных меток на полимерные материалы с использованием лазерного излучения проводились на образцах восьми марок: из полиэтилена, полипропилена, полистирола, поликарбоната, полиэтилентерефталата (ПЭТ), поливинил хлорида (ПВХ), капролона и фторопласта-4. Идентификационная метка (штрихкод) формировалась на очищенной от поверхностных дефектов (шероховатость, загрязнение) поверхности образца. Для некоторых образцов использовался дополнительный режим для создания контрастного фона. При этом режиме имеет место вспенивание, когда локальная температура полимера, окружающего участок поглощения, настолько высока, что полимер выделяет газы с помощью горения или испарения. Горячие газы сами

а)

б)

в)

Рис. 3. Изображения образцов со штрихкодом: а — ВТ1-0; б — 08Х18Н10Т; в — цирконий; г — силумин; д — 12Х17; е — латунь Л63

0123456787650

12345670

0123456787650

Рис. 4. Элементы штрихового кода на образцах: а — из ПВХ; б — полиэтилена х200; в — полиэтилентерефталата х100

окружены расплавленным полимером и расширяются для образования пузырей. Если управлять энергией лазера, в результате вспенивания могут образоваться пузыри, которые распределяют свет таким образом, что образуется белый или светлый на темном контраст маркировки. Это объясняется необходимостью формирования дополнительной четкости линий штрихкода за счет повышения контрастности. На всех образцах считывание штрих-кода стандартным сканером производилось с первого раза, что свидетельствует о высоком качестве изображения. Длительность нанесения штрихкода на поверхность образцов не превышала 30 с, с нанесением фонового цвета — 90 с.

Подбор параметров режима обработки: значения тока накачки диодной линейки, частоты следования импульсов и скорости перемещения луча лазера по обрабатываемой поверхности проводился опытным путем. Было определено, что сканер не замечает пробелы между линиями порядка ширины самой линии, т. е. при разрешении восьми линий на миллиметр. Если уменьшать плотность заливки и далее, происходит некорректное считывание либо считывания не происходит вовсе. При маркировке штрихового кода с разрешением в восемь линий на миллиметр время маркировки составило 5 с. На рис. 4 изображены фотографии толстого (рис. 4, а, б) и тонкого (рис. 4, в) штрихов штрихового кода.

Предложенная технология маркировки серийных изделий из металлических и полимерных материалов предназначена для их

защиты от подделок и идентификации и могут найти широкое применение на предприятиях автомобильной промышленности, транспортного и энергетического машиностроения, авиационной промышленности и т. д. в связи с высокой эффективностью, производительностью и относительно невысокой стоимостью самого процесса.

Выводы

1. Определены технологические параметры формирования цветного изображения и контрастных изображений штрихкодов на поверхности металлических объектов в процессе их лазерной обработки на ПЛМК «Д'Марк-06».

2. Разработан технологический процесс формирования наноразмерных контрастных изображений штрихкодов на поверхности металлических и полимерных материалов, обеспечивающий надежную воспроизводимость и считываемость сканером.

Литература

1. Афонькин М. Г., Ларионова Е. В. Формирование цветных структур на поверхности металла лазерным излучением. СПб.: Изд.-во СЗТУ, 2010. 205 с.

2. Пат. РФ № 2357844. Способ получения цветного изображения на металлических поверхностях / М. Г. Афонькин, В. Б. Звягин, Е. В. Ларионова, Е. И. Пряхин. 10.02.2009.

3. Справочник химика. Т. 1-4. 2-е изд. доп. / Под ред. Б. П. Никольского [и др.]. Л., 1965-68.