Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

аспирант Мельникова М.А., к.т.н. Богданов А.В., Мельников Д.М.

кафедра МТ-12, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация

Исследование особенностей взаимодействия лазерного излучения с полиэтиленом при маркировке

Необходимость маркировки материалов в современном мире обусловлена непрерывным развитием технологий. Благодаря высокому качеству, нестираемости меток и возможности обработки любых материалов, лазерная маркировка является самым распространённым методом обработки.

Перспективным направлением развития технологий лазерной маркировки является нанесение специальных меток, с целью обеспечения защиты продукции от подделок. Их использование наиболее эффективно в борьбе с контрафактом, так как воспроизвести их за пределами предприятия-изготовителя крайне сложно, а выпуск серых товаров у производителя легко установить путём регистрирования нанесённых кодов (по принципу штрих- или QR-кодов).

Поскольку практически вся промышленная продукция на сегодняшний день имеет собственную упаковку при продаже, то нанесение защитных изображений наиболее целесообразно производить непосредственно на ней. Самым распространённым упаковочным материалом является полиэтилен, однако его маркировка (тем более нанесение изображений) - сложный и малоизученный процесс. В данной работе освещены особенности взаимодействия лазерного излучения с полиэтиленом, важные с точки зрения рассматриваемой проблемы.

Среди наиболее распространённых методов лазерной маркировки выделяют: абляцию, карбонизацию, плавление, обесцвечивание и т.д. [1-5]. Под воздействием лазерного излучения определённой длины волны и энергии в материале происходят локальные изменения структуры и свойств. В случае полимерных материалов такие изменения обычно связаны с разрушением или изменением структуры мономеров в области теплового воздействия.

Воздействие лазерного излучения на полиэтилен провоцирует развитие фотохимических и структурных превращений [3-5] однако особенности этих процессов на данный момент ещё изучаются. Известно [6], что структурные переходы постепенно приводят к развитию микроразрушений, вплоть до появления макроразрушений.

Для нанесения изображения в полиэтилене необходимо проводить процесс лазерной обработки таким образом, чтобы изменялись оптические свойства материала без существенных изменений физических свойств. С помощью нанесения множества точек в определённом порядке возможно получение целого изображения или рисунка. Регистрация такого изображения потребует дополнительного оборудования [5].

Результаты и обсуждение экспериментов

Важным этапом экспериментальных исследований является выявление возможности создания метки в полиэтиленовой плёнке и определение особенностей облучения. В [7-9] указано, что для нанесения метки необходимо воздействие УФ излучения, для которого энергия фотонов превышает энергию ковалентной связи в полиэтилене, что приводит к изменениям структуры, проявляющихся в изменении оптических свойств, в частности коэффициента поглощения. Такие изменения считаются локальными, а преобразования в структуре происходят поэтапно. Для выявления основных этапов преобразований в полиэтиленовых плёнках был проведён ряд экспериментов.

В качестве излучателя был выбран перестраиваемый лазер на основе активного элемента Nd³⁺:YAG с преобразованием в третью гармонику (355 нм). Облучение одной точки проводилось с шагом 2,5 с до 15,0 с. Регистрация производилась путём видеоконтроля за изменениями, происходящими в материале в процессе обработки. Были определены усреднённые значения временных границ, при которых происходят видимые изменения, обусловленные накоплением необратимых изменений в среде. Очевидно, что это накопление происходит за определённое количество импульсов, остающееся неизменным для фиксированного уровня энергии в импульсе. К основным этапам превращений в полиэтиленовой плёнке относятся начало помутнения, интенсивное поглощение до достижения однородности, приводящего при дальнейшем облучении к микро, а затем и макроразрушениям. Изменение размера метки в этом случае объясняется увеличением от импульса к импульсу области с большими остаточными напряжениями. При этом не накапливаются продукты деструкции полиэтиленовой структуры. Таким образом, можно выделить два граничных состояния: начало помутнения и максимальное помутнение с дальнейшим разрушением, которые определяют промежутки различных методов обработки материала.

На Рисунке 1 представлена последовательность превращений в полиэтиленовой плёнке при облучении лазером. На протяжении всего процесса отчётливо заметен эффект накопления необратимых изменений. Было установлено, что при одинаковом количестве импульсов и значении энергии, насыщение метки происходит быстрее в условиях меньшей длительности импульса и большей частоты, что объясняется нагревом в процессе обработки, приводящим к изменениям в полимерной матрице.

Рисунок 1 - Пример последовательности этапов преобразования полимерной плёнки

Нами было отмечено, что при варьировании частоты следования, накопление необратимых изменений происходит за одинаковое количество импульсов. Время протекания процессов разрушения полимерных структур значительно меньше, чем период следования лазерных импульсов, а следовательно увеличение частоты сократит время нанесения метки не повлияв на характер внутренних изменений в материале.

Так при частоте 2,5 Гц начало концентрированного поглощения происходит за 5,02±0,01 с (13 импульсов). При частоте 5 Гц начало концентрированного поглощения происходит за 2,59±0,07 с (так же 13 импульсов).

Более детальное исследование длительного воздействия лазерного излучения на материал показало, что в полиэтиленовой плёнке происходит точечное поглощение (рисунок 2), которое объясняется наличием различных включений в матрице. Они обладают более интенсивным поглощением УФ излучения по отношению к остальному материалу. При увеличении интенсивности облучения размер точек увеличивается в результате механохимических реакций, инициируемых в окрестностях включений импульсными термоупругими напряжениями в т.ч. из-за нагрева включений. Рисунок 2 изображает последовательность образования микроразрушений, начиная с необлучённой части (рисунок 2а) до порогового облучения с образованием разрушения. Рисунки 2б и 2в являются подтверждением точечного поглощения и постепенного насыщения до предельного состояния. Исходя из морфологии метки следует, что разрушение происходит по толщине материала навстречу лучу за счёт электронной тепловодности [6].

Состояние материала на рисунке 2б нами принимается как граничное, после которого начинаются необратимые изменения в полиэтиленовой плёнке. Дальнейшее варьирование параметров облучения позволяет подобрать режим обработки в зависимости от поставленных задач.

а	б	в
а – Вид необработанной плёнки б – Вид плёнки при воздействии средней интенсивностью в – Вид плёнки при воздействии высокой интенсивности Рисунок 2 - Получаемые изменения в материале в результате лазерного воздействия разной интенсивности

Таким образом, в сфере лазерной маркировки полиэтиленовых плёнок нами были определены:

- стадии формирования изображения в материале,

- влияние основных временных и энергетических параметров лазерного излучения на изменения в материале,

- граничные состояния полиэтиленового материала, при которых изменяется характер его разрушения.

Список используемой литературы:

1. Колдунов М.Ф., Маненков А.А., Покотило И.Л., Взаимосвязь характеристик лазерного разрушения в статистической теории //Квантовая электроника. - 2000. - Т. 30, № 7. - С. 592-596,

2. Колдунов М.Ф., Маненков А.А., Покотило И.Л., Эффективность различных механизмов лазерного разрушения прозрачных твёрдых тел //Квантовая электроника. - 2002. - Т. 32, № 7. - С. 623-628

3. Колдунов М.Ф., Маненков А.А., Покотило И.Л., Механическое разрушение прозрачных твёрдых тел лазерными импульсами разной длительности //Квантовая электроника. - 2002. - Т. 32, № 4. - С. 335-340

4. Колдунов М.Ф., Маненков А.А., Покотило И.Л., Термоупругий и абляционный механизмы лазерного повреждения поверхности прозрачных твёрдых тел //Квантовая электроника. – 1998, 25, № 3,

5. Ronald M. Harris, Coloring technology for Plastics //Plastics Design Library. 1999, 333p.

6. Виноградов Б. А., Перепелкин К. Е., Мещерякова Г. П., Действие лазерного излучения на полимерные материалы. Научные основы и прикладные задачи. В 2 книгах. Книга 2. Полимерные материалы. Практическое применение лазерных методов в изучении и обработке // Наука, 2007, 384 с

7. William M. Steen Laser Material Processing, 4th Edition, Jyotirmoy Mazumder //Springer, 2010, 566 p.

8. Bosman J., Processes and strategies for solid state Q-switch laser marking of polymers //Velden, The Netherlands,2007, 243 p.

9. Григорьянц А. Г., Богданова М. А., Особенности взаимодействия лазерного излучения с прозрачными диэлектриками, Электронное научно-техническое издание //Наука и образование, Эл № ФС 77 - 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408, № 03, 2012, 77-30569/325485