СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНОЙ МЕТКИ В МАТЕРИАЛЕ ИЗДЕЛИЯ И ИЗДЕЛИЕ, СОДЕРЖАЩЕЕ СФОРМИРОВАННУЮ МЕТКУ Российский патент 1998 года по МПК B29C35/08 B29C71/04 C08J3/28 G06K7/10 

Изобретение относится к технологии маркировки изделий или их части, выполненных из полимерного материала, с целью создания трехмерных или плоских подповерхностных меток, и может быть использовано для создания износостойкой маркировки.

Как показала практика маркировки на поверхности, в процессе эксплуатации маркировка может стать нечитаемой для регистрации из-за механических повреждений или повреждений в результате химического воздействия. Создание подповерхностной маркировки в изделии решает эту проблему.

Известен способ создания [1] маркировки внутри прозрачной для видимого света полимерной композиции, состоящей из двух слоев термопласта, различающихся по своим оптическим характеристикам, причем маркировку осуществляют лазерным лучом. Луч проходит через верхний слой материала, который имеет низкий коэффициент поглощения относительно воздействующего излучения, и вызывает в результате карбонизации потемнение соответствующих областей на поверхности материала нижнего слоя, коэффициент поглощения которого превышает 20 см^-1. Указанный способ ограничен требованием создания соответствующей композиции, и кроме того жесткими требованиями к материалам, из которых выполнена композиция, то есть способ нельзя применить непосредственно для создания подповерхностной маркировки внутри материала первого, или второго слоя.

Под действием лазерного излучения осуществляют подповерхностную маркировку материала с ограниченным пропусканием, когда в качестве такого материала применяют полимер, содержащий специальную добавку дисульфид молибдена [2] Согласно этому способу используют лазерное излучение, параметры которого не вызывают локальной ионизации, но обеспечивают получение черной метки на сером фоне в результате изменения рефракционных оптических свойств такого материала, причем вводимые частицы дисульфида молибдена должны иметь определенные размеры. Основной недостаток такой маркировки заключается в том, что сформированная метка четко наблюдается только под определенным углом освещения.

Известен способ [3] подповерхностной маркировки изделия, выполненного из материала, который прозрачен для лазерного излучения, путем создания метки в виде области повышенного поглощения электромагнитного излучения за счет локальной ионизации материала. Лазерное излучение осуществляет многофакторное воздействие на материал, в результате чего возникает локальная ионизация материала в точке фокусировки, сопровождающаяся резким локальным нагревом в фокальной области без существенного разогрева окружающего материала. Это приводит к появлению механических напряжений внутри объема и возникновению дефектов структуры (вплоть до появления видимых трещин), что нарушает целостность материала и ухудшает эксплуатационные характеристики. По этой причине нецелесообразно использование локальной ионизации для маркировки материала, исходно обладающего невысокими прочностными показателями. Другим ограничением применимости способа является требование прозрачности материала.

Целью изобретения является получение четкой, легко считываемой подповерхностной метки как в прозрачном полимерном материале, так и в материале с ограниченным пропусканием электромагнитного излучения.

Поставленная цель достигается тем, что подповерхностную метку в материале изделия или его части, выполненных из полимерного материала, формируют из областей повышенного поглощения электромагнитного излучения, создаваемых воздействием электромагнитного излучения, сфокусированного внутри материала изделия или его части, причем используют полимерный материал, пропускающий электромагнитное излучение в видимом и ИК диапазонах и вызывают в точках фокусировки превращение полимерного материала в композицию, содержащую продукты пиролиза исходного материала, используя аппаратуру, обеспечивающую создание пучка с энергией и интенсивностью, превышающими пороговые значения плотности энергии, необходимые для пиролиза полимерного материала, но с интенсивностью меньшей порогового значения необходимого для локальной ионизации материала.

Также заявляется изделие или часть его, выполненная из полимерного материала, пропускающего электромагнитное излучение в видимом и ИК диапазонах, под поверхностью которого расположена метка, состоящая из темных областей повышенного поглощения, представляющих собой композицию продуктов пиролиза, вызванного воздействием сфокусированного проникающего электромагнитного излучения на исходный полимерный материал изделия, при интенсивности излучения меньшей порогового значения интенсивности необходимого для локальной ионизации материала, причем темные области одинаковы и/или различны по интенсивности и/или размеру, расположены в пространстве с одинаковой и/или различной плотностью, и метка выполнена без нарушения сплошности материала.

В полимерном материале прозрачном для воздействующего излучения подповерхностные как двух-, так и трехмерные метки могут быть созданы на любой глубине.

Создание подповерхностной метки лазерным излучением в непрозрачном полимерном материале с ограниченным пропусканием электромагнитного излучения весьма затруднительно, так как лазерный луч при прохождении через такой материал теряет значительную часть своей энергии и дефокусируется, что приводит к снижению плотности энергии и интенсивности пучка в фокальном объеме. Попытки скомпенсировать это явление за счет увеличения энергии лазера или уменьшения глубины, на которой создают метку сопровождаются появлением неконтролируемой локальной ионизации как внутри объема материала, так и на его поверхности. Это приводит к механическому разрушению образца и резкому снижению пространственного разрешения создаваемого изображения.

Неожиданно нам удалось найти такой режим обработки полимерных материалов, при котором энерговыделение лазерного пучка в фокальной области обеспечивает протекание химических реакций, приводящих к образованию хорошо видимой невооруженным глазом и легко регистрируемой современным оборудованием темной области, расположенной внутри обрабатываемого материала, при интенсивности лазерного пучка, недостаточной для локальной ионизации. Отсутствие локальной ионизации обеспечивает сохранение сплошности материала в зоне воздействия и достижение необходимой разрешающей способности метода маркировки,
По всей вероятности существует целый спектр различных химических реакций, приводящих к локальному потемнению полимерного материала при его локальном нагреве сфокусированным лазерным излучением.

В некоторых случаях нагрев полимерного материала сфокусированным лазерным излучением вызывает не только эндотермические реакции, но и экзотермические реакции. Энергия, выделяемая при экзотермических реакциях, компенсирует потери излучения в результате рассеяния, что и обеспечивает протекание пиролитических процессов в отсутствии локальной ионизации.

Так, например, известно [4] что термическое разложение полимерных материалов на основе тетрафторэтилена происходит по радикальному механизму и сопровождается образованием этого мономера. Известно также, что при повышенных давлениях и температуре происходит экзотермический распад тетрафторэтилена до свободного углерода и четырехфтористого углерода. По-видимому, при воздействии лазерного излучения на изделие из тефлона PFA реализуется сочетание этих реакций, что и позволяет осуществить маркировку. Не исключено однако, что данный механизм не является единственным.

Процессы, приводящие к образованию темных областей, для различных полимеров будут включать различные химические реакции, совокупность которых обычно определяют понятием "пиролиз".

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 оптической схемы состоящей из линз и поворотных зеркал. Объектив перемещают по заданной программе вдоль вертикальной оси, осуществляя фокусировку излучения на требуемой глубине внутри обрабатываемого материала изделия. 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.

Изделие или его часть закрепляют на подвижном столике манипулятора, обеспечивающего его перемещение по программе в горизонтальной плоскости с шагом, меньшим, чем требуемое разрешение метки. После закрепления изделия на столике манипулятора и запуска программы, фокусирующий объектив и манипулятор осуществляют необходимые перемещения, фокусируя пучок излучения последовательно в тех точках, где предполагается создание темной области повышенного поглощения. После фокусировки 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 термическое разложение материала, приводящее к образованию четко видимой темной области.

После образования темной области повышенного поглощения в заданной точке пространства объектив и манипулятор фокусируют излучение в следующей точке. Процесс повторяют многократно, создавая темные области повышенного поглощения, из которых формируют плоскую или трехмерную подповерхностную метку в материале изделия или его части.

В качестве полимерного материала, пропускающего электромагнитное излучение используют материалы на основе например, полиолефинов и их сополимеров, поливинилхлорида, поливиниловых эфиров, полимеров и сополимеров из фторсордержащих олефинов, поликарбонатов, полиуретанов, аминопластов, фенольных и эпоксидных смол.

Возможность реализации изобретения подтверждают следующие эксперименты.

Пример 1. В качестве источника излучения используют одномодовый импульсно-периодический YAG лазер работающий на основной гармонике (1,06 мкм), с расходимостью 10^-3рад, с частотой повторения импульсов 10 Гц. Энергию излучения варьируют от 1 до 10 мДж с помощью ослабителя. Лазер работает в режиме с модулированной добротностью и длительностью импульса 10^-8 с. Фокусировку излучения осуществляют объективом с фокусным расстоянием F=40 мм внутри изделия на глубине 1-2 мм от облучаемой поверхности. Минимальный размер пятна сфокусированного излучения составляет не более 50 мкм. Облучают изделие толщиной 5,2 мм из сополимера тетрафторэтилена с перфторалкилперфторвиниловым эфиром (марки тефлон PFA) с пропусканием излучения 80% для длины волны 1,06 мкм и 85% для длины волны 0,53 мкм.

В результате воздействия излучения с энергией З-5 мДж внутри материала получают хорошо видимые темные области с размером от 50 до 100 мкм. Создав множество таких областей по заданной программе получают внутри изделия четко видимую невооруженным глазом и читаемую с помощью современного оборудования метку в виде бар кода с пространственным разрешением не хуже, чем 250 точек на дюйм. С повышением энергии до уровня 5-10 мДж, а также при приближении фокуса на расстояние 0,5 мм от поверхности образца наблюдался оптический пробой ионизация внутри материала и на его поверхности, сопровождающаяся резким увеличением размеров темных областей, а также появлением трещин и разрушением поверхности изделия.

Пример 2. В качестве источника излучения используют одномодовый импульсно-периодический YAG лазер работающий на основной гармонике(1,06 мкм), с расходимостью 10^-3рад, с частотой повторения импульсов 10 Гц. Энергию излучения варьируют от 1 до 10 мДж с помощью ослабителя. Лазер работает в режиме с модулированной добротностью, длительность импульса 10^-8с. Фокусировку излучения осуществляют объективом с фокусным расстоянием F 40 мм внутри изделия на глубине 2 4 мм от облучаемой поверхности. Минимальный размер пятна сфокусированного излучения не более 50 мкм. Облучают изделие из полипропилена (марки Poly). В результате воздействия излучения с энергией 5 мДж получают внутри материала хорошо видимые темные области с размером около 70 мкм.

Множество таких темных областей, образованных по заданной программе внутри объема образца, создают в изделии четко видимую невооруженным глазом метку в виде стандартного бар кода с разрешением не хуже, чем 200 точек на дюйм.

Пример З. В качестве источника излучения используют одномодовый импульсно-периодический YAG лазер с модулированной добротностью, работающий на основной гармонике (1,06 мкм) в режиме одиночных импульсов. Расходимость излучения около 5•10^-4мрад; длительность импульса излучения - 5•10^-7с. Энергия излучения лазера варьируют от 1 до 15 мДж с помощью ослабителя. Фокусировку излучения осуществляют на глубине 1 3 мм объективом с фокусным расстоянием 40 мм, фокусирующим лазерное излучение в воздухе в пятно с размером 40-50 мкм. В качестве полимерного материала используют тот же материал, что и в примере 4.

При энергии излучения более 7 мДж в точке фокуса получают темную хорошо видимую область с размером 50 мкм. При возрастании энергии воздействующего излучения яркость точки и ее размер увеличиваются. При энергии более 15 мДж и при приближении точки фокусирования к поверхности на расстояние менее 0,5 мм на поверхности образца начинается приповерхностный оптический пробой - ионизация окружающего газа вблизи поверхности материала, сопровождающаяся разрушением.поверхности образца.

Описанным выше способом создают, подбирая желаемые сочетания темных областей по интенсивности, размеру и плотности расположения в пространстве, и трехмерные метки.

Используемая литература
1. Патент США N 4.822.973.

2. Патент США N 5.075.195.

3. Патент США N 5.206.496.

4. Фторполимеры, М. Мир, 1975, с.с.312, 327.

Изобретение предназначено для формирования предповерхностной метки под воздействием электромагнитного излучения в полимерном материале, пропускающем излучение в видимом и ИК диапазонах. В точках фокусировки излучения получают продукты деструкции полимерного материала, образующие хорошо видимую глазом или регистрируемую современным оборудованием темную область. Путем многократного повторения процесса образования темных областей формируют плоскую или трехмерную подповерхностную метку в материале изделия и его части. При этом используют аппаратуру, которая обеспечивает создание пучка с энергией и интенсивностью, превышающими пороговые значения плотности энергии, необходимые для термической декструкции полимера. Интенсивность пучка должна быть меньшей порогового значения, необходимого для локальной ионизации материала. Метка выпоняется без нарушения сплошности материала. 2 с.п. ф-лы, 1 з.п.ф-лы.

1. Способ формирования подповерхностной метки в материале изделия или его части, выполненных из полимерного материала, заключающийся в формировании метки из областей повышенного поглощения электромагнитного излучения, создаваемых воздействием электромагнитного излучения, сфокусированного внутри материала изделия или его части, отличающийся тем, что используют полимерный материал, пропускающий электромагнитное излучение в видимом и ИК диапазонах и вызывают в точках фокусировки превращение полимерного материала в композицию, содержащую продукты пиролиза исходного материала, используя аппаратуру, обеспечивающую создание пучка с энергией и интенсивностью, превышающими пороговые значения плотности энергии, необходимые для пиролиза полимерного материала, но с интенсивностью, меньшей порогового значения, необходимого для локальной ионизации материала. 2. Изделие или часть его, выполненные из полимерного материала, под поверхностью которого расположена метка, отличающееся тем, что полимерным материалом служит материал, пропускающий электромагнитное излучение в видимом и ИК диапазонах, а метка состоит из темных областей повышенного поглощения, представляющих собой композицию продуктов пиролиза, вызванного воздействием сфокусированного проникающего электромагнитного излучения на исходный полимерный материал изделия при интенсивности излучения, меньшей порогового значения интенсивности, необходимого для локальной ионизации материала, причем темные области одинаковы и/или различны по интенсивности и/или размеру, расположены в пространстве с одинаковой и/или различной плотностью, и метка выполнена без нарушения сплошности материала. 3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что метка является трехмерной.