СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВНУТРИ МАТЕРИАЛА ИЗДЕЛИЯ И ИЗДЕЛИЕ, СОДЕРЖАЩЕЕ СФОРМИРОВАННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ Российский патент 1997 года по МПК B44C5/00 

Изобретение относится к технологии обработки изделий или их части, выполненных из прозрачных полимерных материалов, с целью создания трехмерных или плоских изображений внутри них и, в частности, может быть использовано для маркировки изделий, изготовления декоративных изделий и сувениров.

Изображение на поверхности или внутри объема прозрачного материала, в том числе полимерного, создают при воздействии на него пучком электромагнитного излучения. Пучок излучения фокусируют соответствующей оптической системой излучения в заданных тонах. При этом происходят структурные изменения материала в этих точках в результате локального поглощения энергии пучка. Характер структурных изменений зависит от энергии излучения и природы вещества. При воздействии мощного лазерного излучения с интенсивностью пучка выше, чем 10¹¹-10¹² вт/см² в конденсированных средах происходит, так называемый, оптический пробой, приводящий к локальной ионизации вещества и образованию плазмы [1] Образование плазмы вызывает усиление поглощения энергии лазерного пучка и локальный разогрев материала до высоких температур, приводящий к его локальному механическому разрушению и химической деструкции. В случае полимеров деструкция может происходить с разрывом основной цепи макромолекулы и образованием значительного количества низкомолекулярных соединений или путем карбонизации, т.е. накопление углерода в составе полимера (так называемые, карбонизирующие полимеры) [2]
Известен способ формирования декоративных узоров в изделии из напряженного органического стекла, в качестве которого используют некарбонизирующийся полиметилметакрилат, при воздействии на него излучением лазера [3] Возникающие при таком воздействии видимые трещины в виде случайно расположенных внутри объема поверхностей создают декоративный эффект. Однако таким способом невозможно создать конкретное заданное изображение.

Декоративный рисунок внутри прозрачного материала, из которого выполнено изделие, создают при воздействии лучистой энергии, последовательно перемещая изделие по заданному контуру [4] В результате воздействия лучистой энергии происходит разрушение материала и при этом образуется зона разрушения, похожая на ограненные кристаллы. Эти зоны разрушения и формируют рисунок плоское изображение.

Плоское изображение создают в объеме материала при воздействии сфокусированного лазерного пучка в режиме оптического сбоя согласно способу [5] Изображение в этом случае образуется из следов оптического пробоя диаметром от 0,3 до 1,4 мм. Данный способ так же, как и два предыдущих, сопровождается разрушением материала.

Известен способ [6] создания темного изображения в виде метки двухслойной полимерной композиции на границе раздела слоев под воздействием лазерного излучения. Процессы карбонизации полимера определяют интенсивность цвета метки. Следует подчеркнуть, что карбонизация не протекает в первом слое карбонизирующего материала, пропускающего 80-90% излучения. Процесс карбонизации за счет поглощения излучения осуществляется только на поверхности второго слоя, изготовленного из полимерного материала, имеющего показатель поглощения больше, чем 20 см^-1, то есть материала поглощающего на глубине 2 мм больше, чем 80% излучения лазера. Трехмерное изображение внутри объема однородного карбонизирующегося полимерного материала таким способом создано не было.

Создание как плоского, так и трехмерного изображения (или метки) внутри прозрачного материала изделия, в том числе полимерного, описано [7] Изображение формируют из областей повышенного поглощения электромагнитного излучения, создаваемых в результате локальной ионизации изделия при воздействии на него сфокусированным пучком высокой энергии. Ионизация материала неизменно приводит к его локальному разрушению. Это обстоятельство ограничивает области применения данного способа.

Целью заявляемого изобретения является устранение недостатков, рассмотренных в уровне техники, путем формирования изображения внутри объема полимерного материала без нарушения его сплошности. Это позволит улучшить физико-механические и эксплуатационные характеристики изделия, а также повысить их художественную ценность.

Поставленная цель достигается тем, что изображение внутри материала изделия или его части, прозрачного для электромагнитного излучения в видимом и ИК диапазонах спектра, формируют из точечных областей повышенного поглощения, создаваемых воздействием пучка излучения высокой энергии, сфокусированного внутри материала изделия или его части, выполненного из карбонизирующегося полимера, имеющего показатель поглощения меньше, чем 20 см^-1, а области повышенного поглощения формируют, используя аппаратуру, обеспечивающую создание пучка излучения, плотность энергии которого превышает плотность энергии, необходимую для карбонизации материала, и интенсивность которого меньше интенсивности, необходимой для ионизации материала.

Также заявляется изделие или часть его, выполненные из карбонизирующего материала, имеющего показатель поглощения меньше, чем 20 см^-1, внутри которого расположено изображение, состоящее из темных точечных областей одинаковых и/или различных по интенсивности и/или размеру, расположенных в пространстве с одинаковой и/или различной плотностью, причем изображение выполнено без нарушения сплошности материала изделия.

Области повышенного поглощения создают согласно заявляемому способу внутри материала изделия или его части, выполненного из карбонизирующегося полимера, показатель поглощения которого меньше, чем 20 см^-1, при использовании излучения высокой энергии, величина которой недостаточна для осуществления процесса локальной ионизации. То есть возникновение областей повышенного поглощения в карбонизирующем полимерном материале неожиданно осуществляют в условиях, отличных от условий, описанных в уровне техники [6,7]
Оказалось, что точечные области повышенного поглощения за счет карбонизации полимера возникают, как только плотность энергии пучка излучения ε_o в фокусе превышает величину (T_карρc)/k, где T_кар температура начала карбонизации полимера; ρ плотность полимера; C удельная теплоемкость полимера; K показатель поглощения полимера.

В соответствии с этим условием и тем, что плотность энергии пучка излучения определена как энергия пучка излучения e, падающего на единицу поверхности ориентированной нормально относительно пучка, то есть ε_o= ε/πr2o

(Дж/см²), где r_о радиус области падения учка, задают энергию пучка излучения, обеспечивающую карбонизацию полимера в области с заданным радиусом r₀, то есть ε > (πr2oT_карρc)/k.
По определению, интенсивность пучка излучения (I₀) это плотность энергии пучка излучения в единицу времени, то есть I_o= ε_o/τ_o (вт/см²), где τ_o длительность импульса излучения.

Согласно заявляемому способу длительность импульса излучения ограничивают, учитывая время отвода тепла из областей взаимодействия излучения с полимером (радиусом r_о) и длительность импульса, при котором при данной плотности энергии происходит оптический пробой, то есть
[ε/(πr2o

I_ион)] < τ_o≲ [(r2ocρ)/4λ],
где λ теплопроводность полимера;
I_ион интенсивность пучка излучения, при которой начинается ионизация.

В частности, для создания точечной области повышенного поглощения порядка 10^-2 см используют источники импульсного излучения с длительностью больше, чем 10^-6 с, но не более 5•10^-3 с.

Подбирая расходимость пучка излучения источника g, обеспечивают фокусировку излучения в объеме, не превышающем размер создаваемой точечной области повышенного поглощения диаметром 2r_о, то есть g ≲ 2r_o/F, где F - фокусное расстояние фокусирующей системы.

Помимо аберрации минимальное фокусное расстояние ограничено максимальной глубиной h, на которой создают изображение: F ≳ h/n,, где n показатель преломления полимера.

При реализации способа осуществляют следующие действия.

Генерируют пучок излучения источником излучения в видимом или ИК диапазонах спектра. Энергию пучка излучения варьируют программно или вручную путем изменения режимов питания источника, а также с помощью управляемого вручную или программно ослабителя. Пучок направляют на обрабатываемое изделие с помощью поворотного зеркала. Фокусировку пучка в заданной точке пространства осуществляют объективом, состоящим из одной или нескольких линз. Объектив перемещают по заданной программе вдоль вертикальной оси, осуществляя фокусировку излучения на требуемой глубине внутри обрабатываемого материала изделия.

Изделие (или его часть) закрепляют на подвижном столике манипулятора, обеспечивающего его перемещение по программе в горизонтальной плоскости с шагом, меньшим чем требуемое разрешение изображения. Управление процессом фокусировки излучения в заданной точке образца осуществляют блоком управления путем перемещения объектива по вертикальной оси и образца в горизонтальной плоскости согласно программе, задаваемой через компьютер. После закрепления изделия на столике манипулятора и запуска программы фокусирующий объектив и манипулятор осуществляют необходимые перемещения, фокусируя пучок излучения последовательно в трех точках, где предполагается создание точечной области повышенного поглощения. При фокусировке излучения в заданную точку система управления подает команду на генерацию излучения. Источник излучения генерирует импульсный пучок с необходимой энергией. В результате локального нагрева полимерного материала из-за поглощения излучения в фокусе объектива происходит карбонизация материала, приводящая к образованию четко видимой точечной области.

После образования точечной области повышенного поглощения в заданной точке пространства объектив и манипулятор фокусируют излучения в следующей точке. Процесс повторяют многократно, создавая темные точечные области с различной насыщенностью, из которых формируется плоское или трехмерное изображение внутри материала изделия или его части.

В качестве аппаратуры, параметры которой обеспечивают условия, необходимые для создания изображения внутри объема материала без его ионизации, используют не только дорогостоящие и, как правило, обладающие более низким КПД лазеры с модулированной добротностью, но и другие источники излучения, например, лазеры, работающие в режиме свободной генерации. Наиболее предпочтительными являются импульсные YAG лазеры.

В качестве карбонизирующихся полимерных материалов используют, например, поликарбонаты, сополимеры акрилонитрила с метилметакрилатом, сополимеры акрилонитрил с бутадиеном и стиролом, этролы.

Пример. В качестве источника излучения используют импульсный YAG лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм, работающий в одномодовом режиме с расходимостью 10^-3 рад, с частотой повторения импульсов до 50 гц. Энергию излучения варьируют от 1 до 10 мДж с помощью ослабителя. Лазер работает в режиме свободной генерации с длительностью импульса 10^-4 с.

Фокусировку излучения осуществляют объективом с фокусным расстоянием F 5 см. Минимальный размер пятна сфокусированного излучения составляет не более 50 мкм. Облучают изделие из поликарбоната (Cyrolon) с показателем поглощения k 0,25 см^-1 на длине волны 1,06 мкм.

В результате воздействия излучения с энергией 1 мДж, сфокусированного в области с размером 50 мкм, получают внутри материала отчетливо видимые однородные темные точечные области с размером 70 мкм.

Множество таких темных точечных областей, образованных по заданной программе внутри объема поликарбоната, создают в изделии четко видимое изображение с разрешением не хуже, чем 250 точек на дюйм.

Описанным выше способом создают, подбирая желаемые сочетания темных точечных областей по интенсивности, размеру и плотности расположения в пространстве, изображения, состоящие из большого числа тонов.

Источники информации
1. Маненков А.А. Прохоров А.М. Успехи физ. наук. 1986. т.148. с.179; Ready G.F. Effect of high power laser radiation, 1971. NY.

2. Энциклопедия полимеров, М. Сов.энцикл. 1972.т.1. с.956
3. Патент США N 4092518
4. Авт.свид. СССР N 321425
5. Патент СССР N 1838163
6. Патент США N 4822973
7. Патент США N 5206496у

Использование: изобретение относится к лазерной технологии создания трехмерных или плоских изображений внутри прозрачного полимерного материала, используемого при маркировке изделий, изготовлении декоративных изделий и сувениров. Сущность изобретения: изображение внутри прозрачного карбонизирующегося полимера, имеющего показатель поглощения меньше, чем 20 см^-1 формируют из точечных областей, образующихся при фокусировке пучка излучения в заданных точках. Параметры используемого пучка излучения контролируют так, чтобы плотность энергии пучка излучения превышала плотность энергии, необходимой для карбонизации материала, а интенсивность пучка была меньше интенсивности, необходимой для ионизации материала. В изделии, содержащем сформированное изображение, не происходит нарушения сплошности материала. Варьируя интенсивность окрашивания, размеры и расположение в пространстве темных точечных областей, формирующих изображение, получают трехмерные или плоские изображения, состоящие из большого числа тонов. 2 с. п. ф-лы.

1. Способ формирования изображения внутри материала изделия или его части, прозрачного для электромагнитного излучения в видимом или ИК-диапазонах спектра, заключающийся в формировании изображения из точечных областей повышенного поглощения, создаваемых воздействием пучка излучения высокой энергии, сфокусированного внутри материала изделия или его части, отличающийся тем, что изделие или его часть выполнены из карбонизующего полимера, имеющего показатель поглощения меньше 20 см^- 1, а точечные области повышенного поглощения формируют, используя аппаратуру, обеспечивающую создание пучка излучения, плотность энергии которого превышает плотность энергии, необходимую для карбонизации материала, и интенсивность которого меньше интенсивности, необходимой для ионизации материала. 2. Изделие или его часть, выполненные из прозрачного для электромагнитного излучения в видимом или ИК-диапазонах спектра материала, внутри которого расположено изображение, отличающееся тем, что материалом служит карбонизующий полимер, имеющий показатель поглощения меньше 20 см^- 1, а изображение состоит из темных точечных областей одинаковых и/или различных по интенсивности и/или размеру, расположенных в пространстве с одинаковой и/или различной плотностью, причем изображение выполнено без нарушения сплошности материала изделия.