Диссертация (Обоснование параметров лазерной маркировки деталей машин и агрегатов для их идентификации и учета), страница 4

Такой способ маркировкипозволяет обеспечить абсолютную защиту уникальной дорогостоящей продукцииот подделок и одновременно позволяет не посредственно на самом изделиихранить большой объем закодированной технической, технологической и другойинформации, необходимой для паспортизации, а также проведения экспертизы вслучаях аварийного разрушения изделий.

С целью обеспечения достоверности,надежности и стабильности передачи такой зашифрованной информации наповерхность изделия необходимо специальное программное обеспечение [27],управляющее импульсным лазером при формировании информационного поля наповерхности из различных материалов (металл, стекло, керамика). Дляпоследующейкачественнойидентификациизакодированнойинформациинеобходимы также специальные пакеты программного обеспечения [11] для еедекодирования, а также считывающие устройства с оригинальной электроннооптическойсистемойраспознаваниязашифрованнойинформации,обеспечивающие программно-аппаратное разрешение в 5-10 раз выше, чем у21серийных сканеров для считывания стандартных штрих-кодов. Оборудование(прецизионный импульсный лазер, оригинальный сканер) и специализированноепрограммное обеспечение для нанесения и считывания таких нанобар-кодов постоимости может на порядок превышать стоимость комплекта маркировочноголазерного комплекса для стандартных штрих-кодов.

Для маркировки серийныхпромышленных изделий такой способ не является экономически оправданным.Также в литературе имеются данные по нанесению на поверхности изделийтак называемой «скрытой» маркировки с целью защиты авторских прав, когдаметки наносятся на поверхность детали посредством лазерного излучения [28,108]. Она обычно незаметна на поверхности и/или наносится на определенныеучастки детали, известные только производителю.

При такой обработкеповерхность модифицируется, при этом может происходить изменение структурыматериала, химического состава и т.д., но для невооруженного глаза может бытьвполне неприметной. Данный тип маркировки носит исключительно функциюзащиты изделия от подделок и не будет удобна для автоматизированного учета иидентификации деталей массового производства.Поэтому рациональным решением проблемы учета, идентификации и вусловиях серийного производства является разработка технологии нанесениялазерной маркировки стандартных штрих-кодов, двумерных (матричных) кодов ицветных логотипов на изделия из металлических и полимерных материалов,наиболее широко применяемых для производства деталей машин и агрегатов.1.2 Анализ применения лазеров для получения цветных изображений иинформационных полей на материалахЛазерная маркировка — это метод нанесения изображения на поверхностькакого-либо изделия с помощью сфокусированного лазерного луча.

Часто, говоряо лазерной маркировке, имеют в виду само изображение (надпись, порядковыйномер, логотип, рисунок, внутренний код предприятия, как, например, буквенно-22цифровая последовательность и т.д.). Лазерная маркировка, выполненная напрофессиональном уровне, хорошо читаема и долговечна.Лазерная гравировка — это метод, так же, как и лазерная маркировкапредставляет собой нанесение изображения на какое-либо изделие посредствомвоздействия на поверхность сфокусированным лучом лазера.

Но, в отличие отлазерной маркировки, изображение, полученной методом лазерной гравировки,создает некоторый рельеф на поверхности, в чем заключается основное отличиелазерной гравировки от лазерной маркировки. Часто лазерной гравировкойназывается само изображение, полученное на изделии. Преимущественно, такимиизображениями являются логотипы, надписи, какой-либо орнамент или рисунок.Лазерная маркировка изделий является разновидностью гравировки и можетнести различную смысловую нагрузку.

При помощи маркировки лазером изделиязащищают от подделки, снабжают специализированной информацией, на нихнаносят логотипы. Для выполнения операций необходимо специализированноеоборудование, которым являетсялазерныймаркировочныйкомплекс. Всовременной промышленности, использующей оборудование с применениемлазерных технологий для различных производственных процессов, по даннымлитературных источников [107] на долю применения лазеров для целеймаркирования приходится 26 % в соответствии с приведенными данными на 2014год.С точки зрения технологического процесса, лазерная маркировка мало чемотличается от лазерной гравировки. Процесс осуществляется при помощилазерного луча, который передает энергию поверхности материала и выжигает наней необходимую информацию.

Разница состоит в использовании различныхрежимов работы прецизионной лазерной установки и применяемых мощностяхпри обработке поверхности.Среди лазерных источников, используемых для обработки материалов,наиболее широкое распространение получили высокомощные СО2- лазеры. Такиелазеры, мощность которых достигает 20 кВт, на сегодняшний день составляют23абсолютное большинство среди установок, применяемых для резки, сварки итермообработки.Газоразрядные СО2 - лазеры относятся к типу молекулярных лазеров [29], вкоторых инверсная заселенность создается между колебательными уровнямимолекул [30].

СО2 – лазеры имеют наибольший КПД преобразованияэлектрической энергии в энергию излучения [29]. Эксплуатация данного типалазеров возможна при высоких мощностях, причем режим работы может бытьнепрерывный или импульсный [31]. Такие технологические возможности данноготипа лазеров способствовали их широкому применению для обработкиматериалов (таблица 1.2) [32, 33].Таблица 1.2 – Параметры излучения при различных способах лазерной обработкиСО2-лазеров [31]ПараметрИнтенсивность излучения наповерхности обрабатываемогоизделияДлительность воздействияизлученияДиапазон средней мощностиизлученияУгловая расходимость поуровню 0,86 полной мощностиСпособ лазерной обработкиРазмеобработкисваркарезкарность. термообработкаВт/см20,5×1042×105 2×1052×10б 2×106107прошивкаотверстий107108с10-2110 -3110-3110-510-3кВтБолее 1Более 20,55,00,52,0мрад25120,31,00,51,0Апертур пучкамм2080203010302040Длина передачи излученияДопустимая нестабильностьполной мощностиДопустимая нестабильностьугловой расходимостиДопустимая угловаянестабильность оси пучкаПоляризация излучениям31031011515%±3±3±2±2%±2±3±2±20,200,250,030,05мрадЛинейнаяКруговаяПрименение такого типа лазеров в качестве маркировщиков позволяетполучить очень аккуратную, контрастную, стойкую маркировку.

Это могут быть24буквенно-цифровой маркер, штрих-код, двумерная матрица, символ, логотип. Нотакое устройство не может использоваться на необработанной металлическойповерхности и может не давать контрастного изображения на некоторых видахпластика. Обычно такой лазер успешно используется для работы с картоном,бумагой, деревом, пластиком, кожей, а также для нанесения информации наполиамидные оболочки продуктов питания и другие материалы.Еслижеметаллическуюнеобходимоповерхность,нанеститомаркировкуприменяютсянанеобработаннуютвердотельныелазеры.Стандартный твердотельный лазер имеет оптоволоконный источник света,который попадает в кристалл, где генерируется лазерный луч.

Твердотельныелазеры дают возможность работать с различными материалами, среди которых –твердые металлические сплавы, керамика, ПВХ, пластик, стекло, дерево.Твердотельные лазеры разделяют на несколько типов: устройства сламповой накачкой, устройства с диодной накачкой и волоконные лазеры.Процессмаркировкипроисходитблагодарялокальномуиспарениюирасплавлению материала под действием импульса лазерного излучения. При этомважнуюрольтакжеиграютхимическиепроцессы,стимулируемыемонохроматическим излучением и высокой температурой в зоне действия лазера[34].Доля твердотельных лазеров на мировом рынке составляет около 50%(рисунок 1.1) [32].

Они превосходят газовые по технологичности, экономичности,массеигабаритнымразмерам.Ихсущественнымтехнологическимпреимуществом является возможность применения для передачи излучениягибких световодов. Конкурентоспособность твердотельных лазеров особеннорезко повысилась после начала применения лазеров с диодной накачкой [34, 35].Хотя эти лазеры дороже твердотельных с ламповой накачкой, они значительноэкономичнее и надежнее.Как правило, основной режим работы твердотельных лазеров – это режимимпульсного возбуждения, длительность которого составляет менее 1мс, а приотсутствии специальных мер - в специфическом, так называемом пичковом25режиме генерации [34]. Несмотря на непрерывное в течение всего световогоимпульса накачки возбуждение, излучение лазера начинается через некотороевремя задержки и имеет вид отдельных пичков с характерной длительностью ~1мкс и интервалами между ними ~ 10 мкс [34].Рисунок 1.1 Распределение мирового рынка лазеров по типам,% от общего объема продаж [32]№12345Вид лазераОтпаянные на СО2Твердотельные с диодной накачкойЭксимерныеПрокачные на СО2Твердотельные с ламповой накачкой2002 г.6,7111,8917,3826,2237,82003 г.5,9511,8921,6224,8635,68Среди класса твердотельных лазеров наиболее широкое применениеполучили лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом.

Этот тип лазеров такжеможет работать как в импульсном, так и непрерывном режиме. Кристаллалюмоиттриевого граната Y3AI5O12 (YAG) с примесью неодима выполняетфункции рабочей среды, в которой ионы неодима Nd3+ являются основнымиактивными центрами.Крупные кристаллы YAG высокого оптического качества легкодоступны;сравнительно высокая теплопроводность и возможность работы излучателя почетырехуровневой схеме позволяют получить высокие средние выходныемощности, частоты повторения импульсов и энергии импульса.Типичный частотный диапазон при работе современных твердотельныхNd:YAG-лазеров находится в пределах 0,05...50,0 кГц. При этом средняямощность(20...50Вт)привысокомдлятвердотельныхлазеровэлектрооптическом КПД (4...7 %) сохраняется.