Применение способа и системы использования лазера для создания изображения Российский патент 2021 года по МПК B41M5/24 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретения относятся к области создания объемных изображений на вспенином основании, преимущественно на мягком пенополиуретане или этиленвинилацетате, при помощи лазера. Данная группа изобретений может использоваться в легкой промышленности при производстве, детских товаров, декоративных узоров, сувенирной продукции, обувной промышленности, изготовлении эксклюзивных изображений и т.д.

Уровень техники.

В настоящее время имеется множество способов, как запатентованных, так и нет, нанесения объемного изображения, гравировки, либо маркировки на различные поверхности при помощи лазера. Одними из главных элементов подобных изобретений является наличие лазера и блока управления таким лазером.

Известно множество различных видов лазеров. Существуют газовые лазеры (гелий-неоновый лазер, аргоновый лазер, углекислотный лазер и др), лазеры на красителях, лазеры на парах металлов (гелий-кадмиевый лазер, гелий-селеновый лазер, лазер на парах меди и др), твердотельные лазеры (аллюмо-иттриевые лазеры с легированием неодимом, Лазер на неодимовом стекле, Лазер на александрите с легированием хромом и др.), полупроводниковые лазеры и другие типы лазеров. Для настоящего изобретения важен газовый лазер, а именно: углекислотный лазер, т.к. именно при помощи данного вида лазера проводились эксперименты и был достигнут необходимый результат в виде возможности нанесения объемного изображения и гравировки на пенополиуретан.

К известным видам нанесения объемного изображения или гравировки относится механический вид (осуществляется остро заточенной вращающейся фрезой путем резки материала, данный вид гравировки походит в основном для обработки металлов, дерева, пластмасс и иных твердых материалов); пескоструйный вид (метод основывается на повреждении поверхности обрабатываемого материала песком или иным абразивным порошком, распыляемым потоком воздуха из специального абразивоструйного аппарата. Пескоструйная гравировка используется при работе со стеклом, натуральным камнем, кирпичом, металлом, пластиком, керамикой, деревом и иным материалом с твердой поверхностью). Однако данные методы не подходят для нанесения объемного изображения на мягкую поверхность, например – пенополиуретан. И в этом случае подходит нанесение объемного изображения при помощи лазера. Однако из известного уровня техники не известно применение способа, позволяющее наносить объемное изображение на пенополиуретан без вспомогательных веществ.

Известен метод лазерной гравировки на вспенином основании по патенту US 4933205 A, дата приоритета 09.10.1987 г. (информация о патенте взята из поисковой системы европейского патентного ведомства - Espasenet). Данное изобретение раскрывает способ гравировки на вспенином материале при помощи лазера. Суть данного метода заключается в нанесении на вспениное основание композиции различного состава, так называемой подложки, и обработка вспениного материала через подложку лазером. При этом наносимая композиция должна быть различной толщины и расширяться при нагревании. Признаками этого изобретения, совпадающими с существенными признаками заявленных способа и системы нанесения объемного изображения на материал при помощи лазера являются использование лазера. Такой метод лазерной гравировки на вспенином основании представляется весьма затратным, как по времени, так и по ресурсам, т.к. дополнительно к лазерному оборудованию и материалу, на который будет гравироваться необходимо нанести подложку, являющуюся нитроцеллюлозной краской, либо основанными на воде чернилами для печати, либо капельками воды, либо иным подходящим веществом. Как один из вариантов нанесения подложки на вспениное основание автор рассматривает печать, что влечет за собой использование дополнительного оборудования и удорожание процесса производства. Весьма интересно рассмотреть способ нанесения подложки в виде капелек воды, т.к. при таком способе возникает опасность получения неточного, размытого рельефа на вспенином основании, т.к. с помощью капелек воды невозможно точно нанести линии гравируемого рисунка.

Известна система и метод лазерной гравировки на изделии по патенту US 20170320348 A1, дата приоритета 04.05.2016 г. (информация о патенте взята из поисковой системы европейского патентного ведомства - Espasenet). Основной целью данного изобретения является нанесение меток на заготовки, шаблоны. Однако из описания следует, что одной из общих возможностей данного изобретения является создание индивидуальных изображений на заготовках, что является составляющей одной из целей заявленного изобретения. Также необходимо отметить, что признаками данного изобретения, совпадающими с существенными признаками заявленной системы нанесения объемного изображения на материал с помощью лазера являются наличие лазера, компьютера и блока управления лазером (в описании и формуле изобретения-аналога блок управления лазером указывается как контроллер), а признаками совпадающими со способом нанесения объемного изображения на материал при помощи лазера являются наличие этапа лазерного травления изображения на материале и этапа моделирования мощности лазера. Исследуя описание данного изобретения-аналога автор пришел к выводу, что не возможно создавать объемное изображение на пенополиуретан и иное вспенином основании, т.к. в качестве материалов, на которые наносится гравировка и метки выступают стекло и этикетки. К тому же основная цель этого изобретения - это нанесение идентификационных меток на заготовки для дальнейшей обработки. Автор описывает общий принцип работа лазера, которым наносят рисунок или гравюру без конкретизации параметров работы такого лазера. При таких данных представляется сомнительной возможность нанесения объемного изображения лазером на мягкий материал.

Известны способы и системы высокоскоростной и высокомощной лазерной гравировки по патенту RU 2473414 C2, дата приоритета 12.06.2007 г. (информация о данном патенте взята из инфмационно-поисковой система, размещенной на сайте ФИПС по адресу: http://www1.fips.ru/wps/portal/IPS_Ru#1537498143584). Это изобретение относится к способу и системе, основанными на применении лазера, для гравировки изображений на материалах, главным образом, строительного назначения, с большими скоростями обработки, пригодными для производства в промышленном масштабе. При этом авторы изобретения делают упор именно на высокомощную, т.е. более 500 Вт.и высокоскоростную, т.е. быстрее 10 м/с лазерную обработку материалов, используемых в строительстве таких как: гипс, винил, акрил, древесноволокнистые плиты высокой плотности, закаленное стекло, отожженное стекло, композитные смолы, ламинаты, шпон, низкопрофильная ковровая плитка, стекловолокно, керамика, гранит, пластиковые и древесно-пластиковые композитные материалы и другие материалы. Как указано в описании, лазерная гравировка изображений на материале производится на промышленном оборудовании, предназначенном для резки материала. К недостаткам данного изобретения можно отнести использование только промышленных лазеров с большой мощностью и большой скоростью. Подобное оборудование отличается большой ценой по сравнению с лазерными станками с гораздо меньшей мощностью и скоростью. К тому же с помощью такого метода и системы экономически не оправдано создавать эксклюзивные изображения в малых количествах, т.к. это изобретение предназначено для больших объемов производства. Если предположить что вспененный материал можно использовать в изобретении по патенту №RU 2473414 C2, то объемное изображение все равно не будет создано, т.к. в этом изобретении речь идет о больших мощностях лазера, а именно: более 500 Вт Лазера имеет точку розжига. т.е. начальная температура образуемая на поверхности материала при контакте с лазером и от этой температуры зависит результат работы лазера, т.е. будет создано изображение или будет прожег материала. При мощности лазера более 500 Вт температура точки розжига составляет 3700 градусов Цельсия, а за 1 секунду эта температура возрастает до 7000 градусов Цельсия. Температура возгорания поролона составляет 255 градусов Цельсия. Поэтому при температуре точки розжига в 3700 градусов Цельсия любой вспененный материал моментально оплавится, либо будет прожжен насквозь. И такой результат существенно не изменится от скорости перемещения сигнала лазера относительно поверхности материала, т.к. температура точки розжига лазера мощностью более 500 Вт слишком велика. Поэтому, можно заключить о невозможности применения данного метода к нанесению объемного изображения на пенополиуретан, т.к. материал будет либо просто прожжен, либо на нем будет обыкновенное двухмерное изображение без объема.

К признакам изобретения, совпадающим с существенными признаками заявленного применения способа нанесения объемного изображения с помощью лазера на материал относится наличие этапа, на котором прикладывают выходной сигнал лазера к материалу, а в заявленном применении системы нанесения объемного изображения на материал с помощью лазера - наличие лазера, блока управления (в изобретении-аналоге такой блок поименован как устройство управления мощностью и скоростью выходного сигнала лазера).

Одной из целей разработки заявленного применения способа и системы создания изображения с помощью лазера было найти возможность при малых мощностях лазерного оборудования создавать большие объемы объемных изображений с наименьшими затратами ресурсов, в том числе энергии, времени и материала.

Заявленное применение способа и системы нанесения объемного изображения на материал с помощью лазера устраняет проблемы аналогов и прототипа, позволяют создавать в промышленных масштабах объемные изображения на вспенином основании без использования дополнительных материалов и оборудования.

Поскольку совокупность существенных признаков изобретения по патенту RU 2473414 C2 наиболее близка к заявленной группе изобретений, то данный патент взят за прототип.

Раскрытие сущности изобретения.

В настоящем описании представлена группа изобретений, а именно: применение способа нанесения объемного изображения на материал с помощью лазера и применение системы нанесения объемного изображения на материал при помощи лазера. Применение способа предназначено для применения системы.

Первое изобретение является применением способа нанесения объемного изображения на материал при помощи лазера. Данное применение способа включает в себя этап, на котором происходит обработка графического изображения на компьютере для получения возможности использовать лазер для нанесения объемного изображения на материал. Такая обработка может происходить в графических редакторах CorelDraw®, AutoCad®, PhotoShop®, а также иных графических редакторах, позволяющих конвертировать обычное изображение в растровое и/или векторное изображение. Без данного этапа невозможно будет сделать объемное изображение, т.к. выходной сигнал лазера наносит изображение на материал путем проставления множества точек именуемых пикселями, а расположение этих точек определяется пикселями на растровом и/или векторном изображении. Применение способа также включает этап прикладывания выходного сигнала к материалу, на которое наносится объемное изображение. На данном этапе происходит непосредственное испарение части материала за счет чего происходит нанесение объемного изображения. Применение способа включает в себя, преимущественно, использование углекислотного лазера с настроенной мощностью не более 60 Вт.и применение скорости не более 0,7 м/с.При этом следует учесть, что использовать можно лазер развивающий максимальную постоянную мощность более 60 Вт, например лазер с максимальной мощностью 120 Вт, 200 Вт или иную мощность. Но для заявленного изобретения такой лазер должен быть настроен на мощность не более 60 Вт.Опытным путем было установлено, что именно при таких параметрах мощности и скорости возможно создание отчетливого объемного изображения на пенополиуретане или вспенином этиленвинилацетате без повреждения самого материала. При этом было отмечено, что при превышении мощности лазера более максимально допустимой пенополиуретан или этиленвинилацетат прожигается насквозь, т.е. происходит резка, а при увеличении скорости более максимально допустимой, не происходит формирование изображения полностью, либо изображение не получается объемным, либо - не отчетливым. Наиболее качественные результаты, т.е. объемное изображение с наиболее точными линиями удалось получить из эластичного пенополиуретана плотностью от 16 кг/м3 до 40 кг/м3 и жесткостью от 28кПа до 65кПа., а также из вспениного этиленвинилацетата. При этом в качестве лазера использовался углекислотный лазер.

Второе изобретение группы включает применение компьютера, настроенного на передачу изображения в блок управления лазером, программного обеспечения, позволяющего конвертировать обычное изображение в растровое или векторное и лазер, настроенный на выходную мощность не более 60 Вт.и скорость перемещения не более 0,7 м/с.При этом имеется блок управления лазером. Компьютер выполнен с возможностью хранения информации, указывающей на обработанное изображение, и передачи такой информации в блок управления лазером. В качестве материала используется эластичный пенополиуретан плотностью от 16 кг/м3 до 40 кг/м3 и жесткостью от 28кПа до 65кПа. Или вспененный этиленвинилацетат.При осуществлении изобретения используется углекислотный лазер.

Осуществление изобретения.

Предлагаемый в настоящем описании применение способа нанесения объемного изображения с помощью лазера может быть реализовано, по меньшей мере, следующим образом: изображение обрабатывается на компьютере в графической программе CorelDraw(и конвертируется в растровое и/или векторное изображение, если до конвертации изображение не являлось растровым и/или векторным. Во время обработки изображения производится установка его параметров и в таком виде изображение сохраняется на компьютере и передается на блок управления лазером, который определяет необходимую мощность выходного сигнала лазера и скорость его работы, т.е. лазерный луч модулируется в соответствии с изображением в пиксельной форме по всей поверхности материала. Далее, необходимый материал, по меньшей мере, пенополиуретан плотностью 16 кг/м3, крепится на платформу в устройстве лазерного станка углекислотного типа. Возможно применять пенополиуретан плотностью 17 кг/м3, 18 кг/м3, 19 кг/м3 и так далее до 40 кг/м3 включительно. В ходе экспериментов было установлено, что наиболее качественное объемное изображение получается при плотности пенополиуретана от 16 кг/м3 до 40 кг/м3 включительно, однако это не значит, что данное применение способа не подходит для пенополиуретана с иной плотности, нежели заявленная. После закрепления материала, передачи обработанного на компьютере изображения в блок управления лазером и установки параметров работы лазера происходит процесс нанесения объемного изображения на пенополиуретан, представляющий собой испарение частичек материала с поверхности пенополиуретана.

Другой вариант осуществления заявленного применения способа нанесения объемного изображения с помощью лазера может быть реализован путем обработки изображения на компьютере в графической программе PhotoShop(и конвертации в растровое и/или векторное изображение, если до конвертации изображение не являлось растровым и/или векторным. Во время обработки изображения производится установка параметров изображения, сохранение таких параметров и в таком виде передается на блок управления лазером, который определяет необходимую мощность выходного сигнала лазера и скорость его работы, т.е. лазерный луч модулируется в соответствии с изображением в пиксельной форме по всей поверхности материала. Далее, необходимый материал, по меньшей мере, пенополиуретан жесткостью 28кПа, крепится на платформу в устройстве лазерного станка углекислотного типа. Возможно применять пенополиуретан жесткостью 29кПа, 30кПа, 31кПа и так далее до 65кПа включительно. В ходе экспериментов было установлено, что наиболее качественное объемное изображение получается при жесткости пенополиуретана от 28кПа до 65кПа. включительно, однако это не значит, что данное применение способа не подходит для пенополиуретана с иной жесткостью, нежели заявленная. После закрепления пенополиуретана, передачи обработанного на компьютере изображения в блок управления лазером и установки параметров работы лазера происходит процесс нанесения объемного изображения на пенополиуретан, представляющий собой испарение частичек материала с поверхности пенополиуретана.

Третий вариант осуществления заявленного применения способа нанесения объемного изображения с помощью лазера может быть реализован путем обработки изображения на компьютере в графической программе PhotoShop(и конвертации в растровое и/или векторное изображение, если до конвертации изображение не являлось растровым и/или векторным. Во время обработки изображения производится установка параметров изображения, сохранение таких параметров и в таком виде передается на блок управления лазером, который определяет необходимую мощность выходного сигнала лазера и скорость его работы, т.е. лазерный луч модулируется в соответствии с изображением в пиксельной форме по всей поверхности материала. Далее, необходимый материал, по меньшей мере, вспененный этиленвинилацетат, крепится на платформу в устройстве лазерного станка углекислотного типа. После закрепления вспениного этиленвинилацетата, передачи обработанного на компьютере изображения в блок управления лазером и установки параметров работы лазера происходит процесс нанесения объемного изображения на материал, представляющий собой испарение частичек материала с поверхности вспениного этиленвинилацетата.

При реализации указанных выше вариантов применения способа нанесения объемного изображения с помощью лазера скорость и мощность лазера устанавливаются исходя из сложности объемного изображения выражающейся в количестве мелких деталей, плавности линий, закругленных поверхностях и т.д., характеристик материала, на который наносится изображение, в том числе плотности и жесткости. При заявленных вариантах реализации применения способа опытным путем было установлено, что объемное изображение на вспенином основании можно нанести только при мощности лазера не более 60 Вт.и скорости не более 0,7 м/с.Превышая данные показатели лазер либо насквозь прожигал материал, либо изображение получалось очень плохого качества, с кривыми линиями, резкими переходами и иными дефектами.

Применение способа нанесения объемного изображения на материал при помощи лазера включает в себя растровую и/или векторную технологии. Растровая технология может быть определена, как лазерное рисование графического изображения либо в горизонтальном, либо в вертикальном направлении путем сканирования непрерывным образом назад и вперед, пока графическое изображение не обработано. Векторное рисование может быть определено, как рисование лазером контура каждой отдельной части графического изображения, пока все графическое изображение не выполнено

Второе изобретение группы - применение системы нанесения объемного изображения на материал с помощью лазера может быть реализовано по меньшей мере следующим образом: применение системы, включающей в себя компьютер на котором происходит обработка и конвертация изображения в растровое и/или векторное изображение и настроенной на передачу изображения в блок управления лазером; программное обеспечение, позволяющее обрабатывать изображения для последующей передачи в блок управления лазером. Таким программным обеспечением может вступать любой графический редактор, способный конвертировать обычное изображение в растровое и/или векторное изображение и изменять его параметры. В качестве графического редактора может выступать AutoCad®. Система имеет лазер, настроенный на выдачу выходного сигнала не более 60 Вт., т.к. при наличии сигнала большей мощности объемное изображение не удается нанести на поверхность пенополиуретана. Система имеет блок управления лазером, который задает скорость перемещения выходного луча лазера, которая не превышает 0,7 м/с и мощность подходящие для создания переданного компьютером изображения. Применяя систему возможно наносить объемные изображения на вспененный материал, по меньшей мере пенополиуретан плотностью от 16 кг/м3 до 40 кг/м3. Иные виды материалов на вспениной основе также могут использоваться для нанесения объемного изображения, например вспененный этиленвинилацетат.

Другой вариант применения системы нанесения объемного изображения на материал с помощью лазера заключается в применении компьютера, настроенного на передачу изображения в блок управления лазером на котором происходит обработка и конвертация изображения в растровое и/или векторное изображение, программное обеспечение, позволяющее обрабатывать изображения для передачи в блок управления лазером. Таким программным обеспечением может вступать любой графический редактор, способный конвертировать обычное изображение в растровое и/или векторное изображение и изменять его параметры. В качестве графического редактора может выступать CorelDraw®. Система имеет лазер, настроенный на выдачу выходной сигнал лазера не более 60 Вт., т.к. при наличии сигнала большей мощности объемное изображение не удается нанести на поверхность пенополиуретана. Применяемая система имеет блок управления лазером, который задает скорость перемещения выходного луча лазера, не превышающую 0,7 м/с и мощность подходящие для создания переданного компьютером изображения. Применяя систему возможно наносить объемные изображения на вспененный материал жесткостью от 28кПа до 65кПа. Преимущественно в качестве вспениного материала выступает пенополиуретан. Иные виды материалов на вспениной основе также могут использоваться для нанесения объемного изображения, например вспененный этиленвинилацетат.Все опыты по созданию объемного изображения проводились на углекислотном типе лазера, однако это не означает, что используя заявленную систему невозможно использовать иной тип лазера, например оптоволоконный лазер.

Третий вариант применения системы нанесения объемного изображения на материал с помощью лазера заключается в применении компьютера, настроенного на передачу изображения в блок управления лазером на котором происходит обработка и конвертация изображения в растровое и/или векторное изображение, программное обеспечение, позволяющее обрабатывать изображения для передачи в блок управления лазером. Таким программным обеспечением может вступать любой графический редактор, способный конвертировать обычное изображение в растровое и/или векторное изображение и изменять его параметры. В качестве графического редактора может выступать CorelDraw®. Система имеет лазер, настроенный на выдачу выходной сигнал лазера не более 60 Вт., т.к. при наличии сигнала большей мощности объемное изображение не удается нанести на поверхность пенополиуретана. Применяемая система имеет блок управления лазером, который задает скорость перемещения выходного луча лазера, не превышающую 0,7 м/с и мощность подходящие для создания переданного компьютером изображения. В качестве вспениного материала выступает вспененный этиленвинилацетат.Иные виды материалов на вспениной основе также могут использоваться для нанесения объемного изображения. Все опыты по созданию объемного изображения проводились на углекислотном типе лазера, однако это не означает, что используя заявленную систему невозможно использовать иной тип лазера, например оптоволоконный лазер.

Как упомянуто здесь, «скорость» является скоростью лазерного выходного сигнала (то есть луча) относительно поверхности материала. Относительная скорость может быть переданной путем перемещения лазерного выходного сигнала во время обработки неподвижного материала или путем перемещения материала во время обработки стационарным лазерным выходным сигналом, (лазерным сигналом) или одновременным перемещением лазерного сигнала и материала в разных направлениях и/или при различных скоростях.

Термин «наносить объемное изображение», как он использован в настоящем описании, означают контактировать с материалом с помощью лазерного луча, чтобы создать графическое изображение. В ходе нанесения объемного изображения лазерный луч прикладывает энергию к основе, тем самым вызывая видимое значительное изменение основы, такое как путем удаления покрытия основы, удаление материала основы и т.д. Результатом является трансформация основы, которая заметна визуально.

Термин «изображение» относится к декоративным и художественным рисункам, недекоративным рисункам, шаблонам, графическим картинкам, видам, буквенно-цифровым знакам, логотипам, другим обозначениям и т.д. При этом созданное объемное изображение имеет длину, ширину и высоту, которые можно измерить.

Мощность и скорости должны контролироваться, чтобы избежать любых нежелательных последствий сверхобработки, таких как полное обугливание, прожог и/или расплавление материала, на который наносят гравировку.

Компьютерное аппаратное обеспечение и программное обеспечение для осуществления вариантов осуществления изобретения, описанных здесь, может быть любого рода, например, либо общего назначения, либо предназначенным для некоторых конкретных задач, такие как рабочие станции. Компьютеры могут быть компьютерами класса Pentium®, рабочими программами Windows XP®, Windows Vista(или Linux®, или компьютером может быть компьютер Macintosh®. Компьютер также может быть карманным, таким как (Personal Digital Assistant) персональный цифровой секретарь, сотовый телефон или небольшой портативный компьютер.

Выше описаны только несколько примеров реализаций. Другие варианты осуществления, модификации и усовершенствования описанных изобретений могут быть выполнены без отклонения от сущности заявленных способа и системы.

Изобретения относятся к области создания объемных изображений на вспененном основании, преимущественно на мягком пенополиуретане или этиленвинилацетате, при помощи лазера. Сущность заявленной группы изобретений заключается в применении способа нанесения объёмного изображения на материал при помощи лазера, включающего в себя этапы обработки графического изображения на компьютере для получения возможности использовать лазер для нанесения объёмного изображения на материал, прикладывания выходного сигнала к материалу, на который наносится объёмное изображение или на котором происходит гравировка с использованием преимущественно углекислотного лазера с настроенной мощностью не более 60 Вт и скоростью не более 0,7 м/с. Заявленная группа изобретений позволяет создавать в промышленных масштабах объемные изображения на вспененном основании без использования дополнительных материалов и оборудования. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

1. Применение способа создания изображения, используя лазер, в качестве способа для создания объёмного изображения на вспененном основании, при котором используется углекислотный лазер, выходной сигнал которого перемещают относительно материала со скоростью не более 0,7 м/с и постоянная мощность которого не более 60 Вт на протяжении всего периода времени создания изображения.

2. Применение способа по п.1, при котором в качестве вспененного основания используют пенополиуретан.

3. Применение способа по п.1, при котором в качестве вспененного основания используют вспененный этиленвинилацетат.

4. Применение системы создания изображения в качестве системы для создания объёмного изображения на вспененном основании, включающей компьютер, настроенный на передачу изображения в блок управления лазером; программное обеспечение, позволяющее обрабатывать изображения для передачи в блок управления лазером; углекислотный лазер, выдающий выходной сигнал, настроенный на мощность не более 60 Вт и перемещающийся со скоростью не более 0,7 м/с.

5. Применение системы по п.4, в которой в качестве вспененного основания используют пенополиуретан.

6. Применение системы по п.4, при котором в качестве вспененного основания используют этиленвинилацетат.