ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТКИ ПРЯМОГО НАНЕСЕНИЯ С ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИЕЙ И МЕТКА ПРЯМОГО НАНЕСЕНИЯ
POLYMER COMPOSITION, METHOD OF PERFORMING DIRECT PART MARKING WITH POLYMER COMPOSITION AND DIRECT MARK

Настоящее изобретение относится к химическим полимерным композициям для маркировки различных объектов, к полимерным композициям нанесения непосредственно на маркируемый предмет меток прямого нанесения (МЛН - «Direct Part Marking» - DPM), в частности - к методам нанесения МПН с применением композиций, содержащих флуоресцирующие вещества и/или частицы (ФМПН).
Известна фоточувствительная полимерсодержащая композиция (WO 03-022594, G03C 1/053, 2003 г.) на основе смолы для лазерной гравировки печатной формы для предотвращения образования осколков при гравировке лазером, что уменьшает налипания на поверхности формы и защищает от загрязнения, являющаяся наиболее близкой к заявленной композиции.
Технический результат - упрощение технологии и преодоление трудностей, возникающих при изготовлении и последующем декодировании 2D ФМПН на шершавых, загрязненных или покрытых рыхлыми отложениями поверхностях (что характерно, например, для поверхностей полученных литьем).
Технический результат заключается в том, что предварительное нанесение полимерной (планаризующей) композиции на маркируемую поверхность уменьшает геометрические неоднородности маркируемой поверхности в диапазоне размеров, близких к геометрическим размерам информационных элементов маркировки, в результате чего становится возможным изготовление и последующее декодирование 2D ФМПН на поверхностях, характер геометрических неоднородностей которых по размерам близок к размеру информационных элементов меток (такие неоднородности характерны, в частности для поверхностей полученных литьем).
Технический результат достигается группой изобретений.
Планаризующая полимерная композиция, отверждаемая высушиванием, фото- или термополимеризацией, для формирования метки прямого нанесения включает полимеризационный или поликонденсационный двухкомпонентный полимер, выбранный из группы, включающей уретановый, алкидный, акриловый, в качестве пленкообразующего, по меньшей мере два растворителя, выбранных из ряда, включающего ацетон, толуол, этилацетат, целлозольв, диэтиловый эфир, бутилацетат, по меньшей мере одну добавку-наполнитель из ряда, включающего мел, двуокись титана, микрочастицы стекла, сернокислый барий, технический углерод, сиккатив и присадку, выбранную из ряда, включающего антифлотационные присадки, адгезивы, смачиватели, загустители, биоциды, ингибиторы коррозии, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
указанное пленкообразующее
до 80
указанный растворитель
30-50
указанная добавка-наполнитель
25-30
сиккатив
не более 5
указанная присадка
не более 1
Способ изготовления метки прямого нанесения включает нанесение на маркируемую поверхность указанной планаризующей полимерной композиции с последующим ее отверждением и образованием на маркируемой поверхности слоя покрытия, наклеивание на него механически прочной пленки с ограниченной адгезией к нему, формирование иглоударным способом отверстий в наклеенной пленке и углублений в маркируемой поверхности, заполнение их флуоресцентной композицией, поглощающей световое излучение на длинах волн УФ, видимого и ближнего ИК-диапазонов и излучающей в диапазоне длин волн 600-700 нм, и удаление указанной механически прочной пленки.
Нанесение планаризующей и флуоресцентной композиции можно осуществлять с помощью валика, тампона, кисти, ракеля или распыления, например аэрозольным способом.
Для защиты информационных элементов метки прямого нанесения от внешних воздействий в процессе эксплуатации на поверхность метки наносят дополнительный защитный слой в виде прозрачного лака на кремнийорганической или полиуретановой, или алкидной основе, обладающий высокой адгезией к указанной планаризующей композиции, или наклеивается защитная пленка, прозрачная в видимом диапазоне длин волн и допускающая считывание информационных элементов метки прямого нанесения.
Флуоресцентная композиция содержит смесь органических растворителей с различными температурами кипения, смесь способных к полимеризации мономеров, флуоресцентный пигмент или краситель и присадки в количестве не более 1 мас.ч.
На поверхность дополнительного слоя планаризующей полимерной композиции наклеивается механически прочная пленка, обладающая ограниченной адгезией к слою планаризующей композиции и к маркируемой поверхности; затем иглоударным способом формируются отверстия в наклеенной пленке и углубления в маркируемой поверхности, которые заполняются флуоресцентной композицией, причем после заполнения формируемых информационных элементов метки прямого нанесения флуоресцентной композицией, механически прочная пленка, обладающая ограниченной адгезией к слою планаризующей композиции и к маркируемой поверхности, удаляется.
Флуоресцентную и/или планаризующую композицию наносят на поверхность, подготавливаемую к маркированию, с помощью валика, тампона, кисти, ракеля или распыления (например - аэрозольным способом).
При нанесении аэрозольным способом флуоресцентной композиции и/или планаризующей композиции в состав композиции вводят пропеллент - смесь изобутана, пропана, диэтилового эфира.
Проводится сушка и/или полимеризация флуоресцентной и/или планаризующей композиции.
Сушка и/или полимеризация может проводиться с применением нагрева и/или УФ- и/или ИК-излучения.
Для защиты информационных элементов метки прямого нанесения от внешних воздействий в процессе эксплуатации, на нее наносится дополнительный защитный слой в виде прозрачного лака на кремнийорганической или полиуретановой или алкидной или иной основе, обладающий высокой адгезией к планаризующей композиции, или/и наклеивается защитная пленка, которые могут быть прозрачными в видимом диапазоне длин волн и допускать считывание информационных элементов метки прямого нанесения.
Сущность изобретения состоит в том, что при изготовлении устройства - метки - могут использоваться три различных композиции, каждая из которых может быть, в частности, свето- или термочувствительной и каждая может наноситься рядом способов, некоторые из которых определены в тексте предложенной нами патентной формулы.
Первая по порядку нанесения композиция - планаризующая - наносится с основной целью - уменьшения геометрических неоднородностей маркируемой поверхности и, одновременно, с дополнительными целями - повышения стойкости маркируемой поверхности к механическим воздействиям и/или изменения ее адгезионных свойств и/или повышения оптического контраста формируемых впоследствии информационных элементов метки.
Типичный состав таких композиций - раствор полимера (лак) например - латекса или модифицированных алкидных смол или стирола или ПФ-060 или кремнийорганических полимеров - с массовой долей полимера 30-50% в смеси растворителей, содержащих, например, ацетон, толуол, этилацетат, целлозольв, диэтиловый эфир, бутилацетат - всего 30-50%; наполнители, например мел, двуокись титана, микрочастицы стекла, сернокислый барий, технический углерод (П-803, К-354) массовой долей до 30%; сиккативы (например - ЖК-1, НФ-1) до 5%, антифлотационные присадки, адгезивы, пленкообразователи, смачиватели, ингибиторы коррозии, преобразователи ржавчины и иные специальные присадки массовой долей менее процента.
Вторая композиция наносится локально и образует информационные элементы метки.
Она содержит:
- флуоресцирующее вещество с максимумом излучения в диапазоне длин волн 600-700 нм при возбуждении в области длин волн 450-500 нм в количестве 18-23% общей массы композиции;
- смесь органических растворителей (37-72% высококипящих, 17-21% со средними температурами кипения, 11-42% лекгокипящих) в количестве 14-23% общей массы композиции;
- смесь полимеров (например, акриловых) в количестве 5-55% общей массы композиции;
- специальные добавки массовой долей менее процента. При нанесении композиции аэрозольным способом добавляют пропеллент (смесь изобутана, пропана, диэтилового эфира) в количестве 55-60% общей массы композиции. Третья композиция - защитная - наносится при необходимости и является обычным прозрачным лаком на кремнийорганической, полиуретановой, алкидной или иной основе.
Изобретение иллюстрируют чертежи
На рисунках 1-6 использованы следующие обозначения:
1 - флуоресцентная композиция, поглощающая световое излучение на длинах волн УФ, видимого и ближнего ИК-диапазонов и излучающая в диапазоне длин волн полосы пропускания входного фильтра устройства считывания;
2 - композиция, уменьшающая геометрические неоднородности маркируемой поверхности, и/или повышающая ее стойкость к механическим воздействиям, и/или изменяющая ее адгезионные свойства, и/или повышающая оптический контраст формируемых информационных элементов метки;
3 - маркируемая деталь с углублениями (информационными элементами), нанесенными при маркировке (например - иглоударной);
4 - пленка с отверстиями, образовавшимися после иглоударной (или иной) маркировки;
5 - защитный лак, прозрачный в видимом диапазоне длин волн и поглощающий в коротковолновой части УФ-диапазона длин волн.
На Рис.1 представлено устройство метки прямого нанесения, состоящей из информационных элементов, сформированных путем изменения поверхности маркируемой детали (3) созданием углублений при иглоударной маркировке с последующим нанесением на деталь флуоресцентной композиции (1), поглощающей световое излучение на длинах волн УФ, видимого и ближнего ИК-диапазонов и излучающей в диапазоне длин волн полосы пропускания входного фильтра устройства считывания - до удаления флуоресцентной композиции с поверхности детали между углублениями. Перед формированием информационных элементов метки на маркируемую поверхность нанесена композиция (2), уменьшающая геометрические неоднородности маркируемой поверхности и/или повышающая ее стойкость к механическим воздействиям и/или изменяющая ее адгезионные свойства и/или повышающая оптический контраст формируемых впоследствии информационных элементов метки.
На Рис.2 представлено устройство метки прямого нанесения, состоящей из информационных элементов, сформированных путем изменения поверхности маркируемой детали (3) созданием углублений при маркировке (например, иглоударной) с последующим нанесением на деталь флуоресцентной композиции (1) - после удаления флуоресцентной композиции с поверхности детали между углублениями. Перед формированием информационных элементов метки на маркируемую поверхность нанесена планаризующая композиция (2).
На Рис.3 представлено устройство флуоресцентной защитно-информационной метки прямого нанесения, полученной путем иглоударной маркировки с заполнением информационных элементов флуоресцентной композицией (1) через предварительно наклеенную на поверхность детали (3) пленку (4), отверстия на которой сформированы в процессе иглоударной маркировки. Перед формированием информационных элементов метки на маркируемую поверхность нанесена планаризующая композиция (2).
На Рис.4 представлен способ формирования метки прямого нанесения путем проведения процесса фотополимеризации флуоресцентной композиции (1) метки с помощью УФ излучения после заполнения композицией информационных элементов, сформированных путем изменения поверхности маркируемой детали (3) созданием углублений при иглоударной маркировке. Перед формированием информационных элементов метки на маркируемую поверхность нанесена планаризующая композиция (2).
На Рис.5 представлен способ формирования метки прямого нанесения путем проведения процесса сушки ИК-излучением флуоресцентной композиции (1) метки после заполнения композицией информационных элементов, сформированных путем изменения поверхности маркируемой детали (3) созданием углублений при иглоударной маркировке. Перед формированием информационных элементов метки на маркируемую поверхность нанесена планаризующая композиция (2).
На Рис.6 представлен способ изготовления метки прямого нанесения, состоящей из информационных элементов, сформированных путем изменения поверхности маркируемой детали (3) созданием углублений при иглоударной маркировке, с последующим нанесением на деталь флуоресцентной композиции (1), отличающийся тем, что нанесенная метка покрыта защитным лаком (5), прозрачным в видимом и поглощающим в коротковолновой части УФ-диапазона длин волн. Перед формированием информационных элементов метки на маркируемую поверхность нанесена планаризующая композиция (2).
Компаниям и предприятиям, деятельность которых связана с высокими и/или дорогостоящими рисками, требуется обеспечить юридическую доказательность причинно-следственной связи убытков (а часто и человеческих жертв) и отказа изделия (детали, узла), которая позволяет предать ответственность за последствия отказа изделия его изготовителю (дилеру, поставщику). Поэтому метки прямого нанесения используются в отраслях, характеризующихся повышенными требованиями к подлинности, сертифицированности и надежности деталей, узлов и изделий.
В отличие от меток, наносимых краской или наклеиваемых на контролируемый объект, метки прямого нанесения состоят из информационных элементов сформированных путем изменения поверхности маркируемой детали тем или иным способом, например нанесением углублений при иглоударной маркировке или созданием участков поверхности с микротрещинами и шероховатостями при обработке лазерным излучением, электроискровой обработке или электрохимическом травлении. МПН могут быть удалены только вместе с материалом поверхности маркируемой детали, являясь, таким образом, надежным способом контроля всего жизненного цикла объекта вплоть до его утилизации.
При нанесении МПН используется, как правило, двумерное (2D) кодирование, обладающее высокой информационной емкостью и помехозащищенностью (2D МПН). По объему хранимой информации емкость 2D-кода может в сотни раз превышать емкость одномерного (например, он способен хранить несколько страниц текста). Если при работе с одномерным кодом необходима внешняя компьютерная база данных, то применение 2D-кода позволяет во многих случаях отказаться от такой базы, поскольку емкость кода достаточна для хранения необходимой информации об объекте. Использование 2D-кодов предпочтительно, например, в автономных системах идентификации или при необходимости хранения иероглифов таких языков, как японский или китайский. Кроме того, практически все современные технологии 2D-кодов, в отличие от одномерных, содержат средства коррекции ошибок и, следовательно, гарантируют большую надежность сохранности данных.
2D-коды имеют преимущественно матричную форму и не используют для кодирования информации традиционные штрихи/пробелы. Вместо стандартной технологии определения ширины штриха матричные коды используют для кодирования информации конструкции типа «да-нет» или «единица-ноль» (т.е. «on/off» - дизайн). Существует множество разновидностей 2D-кодов (например, PDF417, MaxiCode, DataMatrix).
Считыватели 2D-кодов, в отличие от сканеров штрих-кодов, сначала улавливают изображение, затем анализируют полученный образ и лишь потом извлекают из него и декодируют информацию. В связи с этим считывание и декодирование 2D МПН связано с технологическими трудностями в части аппаратных решений и разработки необходимого программного обеспечения (ПО). При считывании 2D МПН основная проблема состоит в получении изображения метки с качеством, достаточным для надежного декодирования содержащейся в ней информации, независимо от внешнего освещения и состояния поверхности, на которую метка нанесена. В части ПО проблема состоит в повышении декодирующей способности при анализе гетерогенных («размытых») изображений.
В источнике [заявка на патент, принятая Роспатентом 23.10.2009 г., №2009139034] предложен эффективный способ решения проблемы считывания 2D МПН путем использования при изготовления меток композиций, содержащих флуоресцирующие вещества и/или частицы (2D ФМПН - 2D FDPM). Это приводит к существенному улучшению качества изображения метки при ее считывании, в частности его контрастности, и уменьшает зависимость надежности декодирования метки от характера поверхности, на которой нанесена 2D МПН. Данное решение позволяет считывать метки как обычным считывающим устройством (ридером), так и специальным, регистрирующим флуоресцентное изображение. Использование этого решения позволяет расширить диапазон применимости и уменьшить стоимость использования ударно-точечной маркировки.
Тем не менее, авторам известных решений не удалось преодолеть значительные трудности, возникающие при нанесении и последующем декодировании 2D МПН и 2D ФМПН на поверхностях:
- микрорельеф которых по размерам близок к размеру информационных элементов меток (такие неоднородности характерны, в частности, для поверхностей, полученных литьем);
- покрытых рыхлыми отложениями (например, ржавчиной, окалиной);
- на которые нанесены неоднородные, механически непрочные или имеющие недостаточную адгезию покрытия (например, некоторые разновидности красок, термозащитные или антикоррозийные покрытия).
Уменьшение влияния на результат процесса нанесения МПН геометрических характеристик (микронеровностей, шероховатости) поверхности, на которую наносится МПН, может быть достигнуто путем ее планаризации посредством предварительного нанесения на эту поверхность лака, шпателевки, смазки или иного покрытия уменьшающего геометрические неоднородности поверхности в диапазоне размеров, близких к геометрическим размерам информационных элементов маркировки. Добиться этого можно также использованием композиции, обладающей перечисленными выше свойствами и предварительно нанесенной на пленку, имеющую достаточную механическую прочность и обладающую высокой адгезией к слою композиции. При этом целесообразно, чтобы слой композиции имел толщину, превышающую геометрические неоднородности маркируемой поверхности, и гелеобразную консистенцию, позволяющую при прижиме (прикатке, притирке, припрессовке) пленки с композицей к маркируемой поверхности уменьшить ее геометрические неоднородности. В результате нанесения такого слоя становится возможным формирование информационных элементов 2D ФМПН, а пленка с композицией после нанесения маркировки, благодаря ограниченной адгезии слоя композиции к маркируемой поверхности, может быть удалена без повреждения информационных элементов маркировки.
В ряде случаев нанесение МПН затрудняют механические свойства маркируемой поверхности. Поверхность может быть покрыта ржавчиной или окалиной (в частности, образующимися при изготовлении маркируемых деталей литьем), окрашена термостойкими или иными красками, имеющими недостаточную адгезию к поверхности и/или механическую прочность, подвергнута электрохимической или иной обработке. Уменьшение влияния механических свойств маркируемой поверхности на результат процесса нанесения МПН может быть достигнуто путем нанесения на нее композиции, позволяющей получить поверхностный слой, обладающий твердостью, пластичностью, стойкостью к истиранию, а также адгезией к маркируемой поверхности, достаточными для изготовления и последующей эксплуатации 2D ФМПН.
Каждая из упомянутых выше композиций может быть дополнительно модифицирована для улучшения оптических свойств маркировки. Для этого в состав композиции вводятся частицы, поглощающие свет, отражающие свет, рассеивающие свет и/или переизлучающие свет.
Модифицированные составы композиций требуют применения адекватных способов их нанесения.
Композиции могут наноситься на поверхность, подготавливаемую к маркированию с помощью валика, тампона, кисти, ракеля или распыления, после чего при необходимости проводится сушка или/и полимеризация, в частности с применением нагрева, УФ- или/и ИК-излучения.
Композиции могут подготавливаться к нанесению в виде слоя на подложке, имеющего ограниченную адгезию к этой подложке и повышенную адгезию к маркируемой поверхности, в результате чего в процессе прижима (прикатки, притирки, припрессовки) соответствующая композиция переносится на поверхность, подготавливаемую к маркированию, и закрепляется на ней. Для закрепления композиций при необходимости проводится сушка или/и полимеризация, в частности с применением нагрева, УФ- или/и ИК-излучения.
На поверхность, подготавливаемую к маркированию, могут предварительно наноситься жидкие композиции, содержащие фото- или термочувствительные отверждающие вещества (например, фталоцианиновые или порфириновые красители) которые при освещении актиничным светом (например, лучом лазера с соответствующей длиной волны) или нагреве индуцируют образование на маркируемой поверхности пленки (слоя, покрытия), имеющей необходимые механические свойства и хорошую адгезию к этой поверхности.
Нижеследующие примеры поясняют, но не ограничивают настоящее изобретение.
Пример 1. Отверждаемая УФ-полимеризацией планаризующая композиция содержит смесь органических растворителей в количестве 30 мас.ч., при этом смесь растворителей содержит 72% высококипящего - этилцеллозольва, 17% толуола - со средней температурой кипения, 11% ацетона - легкокипящего; способные к полимеризации 30 мас.ч. этилметакрилата и 20 мас.ч. метилакрилата; наполнитель мел в количестве 30 мас.ч.; сиккатив в количестве 1 мас.ч.; загуститель - альгинат натрия 0,5 мас.ч, биоцид 2,2-дибромо-3-нитрилопропионамид 0,3 мас.%.
Отверждаемая полимеризацией планаризующая композиция может содержать в качестве пленкообразующего полимеры, содержащие звенья этиленненасыщенных мономеров, способных к радикальной полимеризации, предпочтительно звенья мономера, выбранного из группы, включающей акриловую кислоту, метакриловую кислоту, сложные эфиры акриловой кислоты и сложные эфиры метакриловой кислоты.
Пример 2. Отверждаемая высушиванием планаризующая композиция содержит полиоксипропилентриол с ММ=3000-5000 у.е. - Лапрол-5003 - 30 мас.ч., N,N-тетрапропанолэтилендиамин - 3,0 мас.ч., 4,4′-дифенилметандиизоционат - 25,0 мас.ч., наполнитель двуокись титана - 25 мас.ч.; сиккатив в количестве 3 мас.ч.; антифлотационная присадка карбонат натрия - 0,7 мас.ч, в качестве органического растворителя - этилацетат и толуол до 100 мас.ч.
Пример 3. Термоотверждаемая планаризующая композиция содержит олигомерный карбоксилсодержащий бутадиеннитрильный каучук СКН-26-1А - 28,1 мас.ч., эпоксидный диановый олигомер ЭД-22 - 7,0 мас.ч., наполнитель: технический углерод - 3 мас.ч., сернокислый барий - 8 мас.ч., микрочастицы стекла - 15 мас.ч.; сиккатив в количестве 4 мас.ч.; преобразователь ржавчины - ортофосфорная кислота (85%) - 0,8 мас.ч, и 48 мас.ч. растворителя, содержащего 70 мас.% этилцеллозольва и 30 мас.% диэтилового эфира.
Пример 4. Рецептура флуоресцентной композиции (ПМИ-Р):
флуоресцирующее вещество с максимумом излучения на длине волны λ=630 нм при возбуждении в области длин волн 450-500 нм в количестве 22-23 мас.ч.;
23 мас.ч. смеси органических растворителей, содержащей 72 мас.% высококипящего этилцеллозольва; 17 мас.% бутилацетата; 11 мас.% диэтилового эфира;
55 мас.ч. способной к полимеризации смеси 30 мас.ч. этилметакрилата и 25 мас.ч. метилакрилата, обеспечивающая адгезионные свойства композиции и механическую устойчивость готовой метки.
Пример 5. Рецептура флуоресцентной композиции (ПМИ-А) для аэрозольного нанесения:
21 мас.ч. флуоресцирующего вещества с максимумом излучения на длине волны λ=606 нм при возбуждении в области длин волн 450-500 нм;
23 мас.ч. смеси органических растворителей, содержащей 37 мас.% этилцеллозольва; 21 мас.% бутилацетата; 42% ацетона,;
12 мас.ч. акрилового связующего, обеспечивающего адгезионные свойства композиции и механическую устойчивость готовой метки;
60 мас.ч. пропеллента - смеси изобутана, пропана, диэтилового эфира.
Пример 6. Рецептура защитного лака:
55 мас.ч. смеси органических растворителей, состоящей из 72 мас.% метилцеллозольва; 17 мас.% бутилацетата; 11 мас.% ацетона; способные к полимеризации 30 мас.ч. этилметакрилата и 20 мас.ч. метилакрилата, 2,0 мас.ч. коалесцента - бутилгликольацетата, 0,2 мас.ч. загустителя - альгината натрия, 0,15 мас.ч. биоцида 2,2-дибромо-3-нитрилопропионамида.
Независимо от свойств используемых композиций, методов их нанесения и методов изготовления 2D ФМПН для защиты информационных элементов 2D ФМПН от внешних воздействий в процессе ее эксплуатации после изготовления 2D ФМПН на нее может наноситься защитное покрытие (лак) или наклеиваться защитная пленка. Лак и пленка могут быть прозрачными в видимом диапазоне длин волн и допускать считывание 2D ФМПН без их удаления.