RU2087322C1

RU2087322C1 - Method of forming image inside material of an article and article containing formed image

Info

Publication number: RU2087322C1
Application number: RU95103890/12A
Authority: RU
Inventors: П.И. Лазарев; Ф.В. Лебедев
Original assignee: Лебедев Федор Владимирович
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 1997-08-20
Also published as: WO1996030219A1; AU5128596A; RU95103890A

Abstract

FIELD: image formation. SUBSTANCE: invention relates to laser technology for forming three-dimensional or flat images inside transparent polymer material used for marking articles, when manufacturing decorative articles and souvenirs. In particular, image inside transparent carbonizing polymer with absorption index below 20 cm^-1 is formed from dark point regions formed when focusing emission beam in specified points. Parameters of the emission beam are controlled in such a way as to provide density of beam energy to exceed density of energy required for carbonization of material and intensity of beam to be less than material ionization energy. Article containing thus formed image has no breaks in material continuity. When varying intensity of coloration, dimensions and spatial location of image-formation point regions, three- dimensional or flat images are obtained with great number of shades. EFFECT: enlarged possibilities of image formation. 2 cl

Description

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. The invention relates to a technology for processing products or parts thereof made of transparent polymeric materials, with the aim of creating three-dimensional or flat images inside them and, in particular, can be used for marking products, making decorative products and souvenirs.

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.An image on the surface or inside the volume of a transparent material, including polymer, is created when exposed to a beam of electromagnetic radiation. The radiation beam is focused by the corresponding optical radiation system in predetermined tones. In this case, structural changes in the material at these points occur as a result of local absorption of the beam energy. The nature of the structural changes depends on the radiation energy and the nature of the substance. When exposed to high-power laser radiation with a beam intensity higher than 10 ¹¹ -10 ¹² W / cm ² in condensed matter, the so-called optical breakdown occurs, leading to local ionization of the substance and plasma formation [1] Plasma formation causes an increase in the absorption of laser beam energy and local heating of the material to high temperatures, leading to its local mechanical destruction and chemical destruction. In the case of polymers, destruction can occur with the breaking of the main chain of the macromolecule and the formation of a significant amount of low molecular weight compounds or by carbonization, i.e. carbon accumulation in the polymer (the so-called carbonizing polymers) [2]
A known method of forming decorative patterns in a product of strained organic glass, which is used non-carbonizable polymethylmethacrylate, when exposed to laser radiation [3] Visible cracks in this form in the form of surfaces randomly located inside the volume create a decorative effect. However, in this way it is not possible to create a specific predetermined image.

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. A decorative pattern inside the transparent material from which the product is made is created when exposed to radiant energy, sequentially moving the product along a given contour [4] As a result of exposure to radiant energy, the material is destroyed and a destruction zone similar to faceted crystals is formed. These zones of destruction form a flat image.

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. A flat image is created in the bulk of the material when exposed to a focused laser beam in the optical failure mode according to the method [5]. The image in this case is formed from traces of optical breakdown with a diameter of 0.3 to 1.4 mm. This method, like the two previous ones, is accompanied by the destruction of the material.

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.The known method [6] of creating a dark image in the form of a label of a two-layer polymer composition at the interface between the layers under the influence of laser radiation. The polymer carbonization processes determine the color intensity of the label. It should be emphasized that carbonization does not occur in the first layer of carbonizing material, transmitting 80-90% of the radiation. The carbonization process due to the absorption of radiation is carried out only on the surface of the second layer made of a polymeric material having an absorption index greater than 20 cm ^-1 , that is, the absorbing material at a depth of 2 mm is greater than 80% of the laser radiation. A three-dimensional image inside the volume of a homogeneous carbonizable polymer material in this way was not created.

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. The creation of both a flat and three-dimensional image (or label) inside the transparent material of the product, including the polymer one, is described [7]. The image is formed from areas of increased absorption of electromagnetic radiation created as a result of local ionization of the product when it is exposed to a focused high-energy beam. The ionization of the material invariably leads to its local destruction. This fact limits the scope of this method.

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. The aim of the invention is to eliminate the disadvantages discussed in the prior art, by forming an image inside the volume of the polymer material without violating its continuity. This will improve the physical, mechanical and operational characteristics of the product, as well as increase their artistic value.

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.This goal is achieved in that the image inside the product material or part thereof, transparent to electromagnetic radiation in the visible and IR spectral ranges, is formed from point regions of increased absorption created by the action of a high-energy radiation beam focused inside the product material or part made of carbonizable a polymer having an absorption rate less than 20 cm ^-1, and high absorption region is formed using apparatus which provides the creation of the radiation beam eniya whose energy density exceeds the energy density necessary to carbonize the material, and the intensity of which is lower than the intensity required to ionize the material.

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.Also claimed is a product or part thereof made of a carbonizing material having an absorption index less than 20 cm ^-1 , inside which is an image consisting of dark dotted areas of the same and / or different in intensity and / or size, located in a space with the same and / or different density, and the image is made without violating the continuity of the material of the product.

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.Areas of increased absorption are created according to the claimed method inside the product material or part thereof made of a carbonizable polymer, the absorption coefficient of which is less than 20 cm ^-1 when using high-energy radiation, the magnitude of which is insufficient for the implementation of the local ionization process. That is, the occurrence of areas of increased absorption in the carbonizing polymer material is unexpectedly carried out under conditions different from the conditions described in the prior art [6,7]
It turned out that the point regions of increased absorption due to the carbonization of the polymer arise as soon as the energy density of the radiation beam ε _o in focus exceeds the value (T _car ρc) / k, where T _{car is the} temperature at which polymer carbonization begins; ρ polymer density; C is the specific heat of the polymer; K is the absorption coefficient of the polymer.

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/πr $\binom{2}{o}$ (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 > (πr $\binom{2}{o}$ T_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.In accordance with this condition and the fact that the energy density of the radiation beam is defined as the energy of the radiation beam e incident on a surface unit oriented normally with respect to the beam, i.e., ε _o = ε / πr $\binom{2}{o}$ (J / cm ² ), where r is _the radius of the region of incidence of the trace, the energy of the radiation beam is set, which ensures carbonization of the polymer in the region with a given radius r ₀ , i.e., ε> (πr $\binom{2}{o}$ T _car ρc) / k.
By definition, the intensity of the radiation beam (I ₀ ) is the energy density of the radiation beam per unit time, that is, I _o = ε _o / τ _o (W / cm ² ), where τ _{o is the} duration of the radiation pulse.

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/(πr $\binom{2}{o}$ I_ион)] < τ_o≲ [(r $\binom{2}{o}$ cρ)/4λ],
где λ теплопроводность полимера;
I_ион интенсивность пучка излучения, при которой начинается ионизация.According to the claimed method, the duration of the radiation pulse is limited, taking into account the time of heat removal from the areas of interaction of radiation with the polymer (radius r _o ) and the pulse duration at which optical breakdown occurs at a given energy density, i.e.
[ε / (πr $\binom{2}{o}$ I _ion )] <τ _o ≲ [(r $\binom{2}{o}$ cρ) / 4λ],
where λ is the thermal conductivity of the polymer;
I _{ion the} intensity of the radiation beam at which ionization begins.

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.In particular, to create a point region of increased absorption of the order of 10 ^-2 cm, pulsed radiation sources with a duration of more than 10 ^-6 s, but not more than 5 • 10 ^-3 s are used.

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.Selecting the divergence of the radiation beam of the source g, they focus the radiation in a volume not exceeding the size of the created point region of increased absorption with a diameter of 2r _o , that is, g r 2r _o / F, where F is the focal length of the focusing system.

Помимо аберрации минимальное фокусное расстояние ограничено максимальной глубиной h, на которой создают изображение: F ≳ h/n,, где n показатель преломления полимера. In addition to aberration, the minimum focal length is limited by the maximum depth h at which the image is created: F ≳ h / n ,, where n is the refractive index of the polymer.

При реализации способа осуществляют следующие действия. When implementing the method carry out the following actions.

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. A radiation beam is generated by a radiation source in the visible or IR spectral ranges. The energy of the radiation beam is varied programmatically or manually by changing the power supply modes of the source, as well as using a manually controlled or software attenuator. The beam is sent to the workpiece using a rotary mirror. The beam is focused at a given point in space by an objective consisting of one or more lenses. The lens is moved according to a given program along the vertical axis, focusing the radiation at the required depth inside the processed material of the product.

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. The product (or part thereof) is fixed on the movable table of the manipulator, ensuring its movement according to the program in a horizontal plane with a step smaller than the required image resolution. The process of focusing radiation at a given point in the sample is controlled by the control unit by moving the lens along the vertical axis and the sample in the horizontal plane according to the program specified through the computer. After fixing the product on the manipulator’s table and launching the program, the focusing lens and the manipulator make the necessary movements, focusing the radiation beam sequentially at three points, where it is supposed to create a point region of increased absorption. When focusing radiation at a given point, the control system gives a command to generate radiation. The radiation source generates a pulsed beam with the necessary energy. As a result of local heating of the polymer material due to absorption of radiation at the focus of the lens, carbonization of the material occurs, leading to the formation of a clearly visible point region.

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. After the formation of a point region of increased absorption at a given point in space, the lens and the manipulator focus the radiation at the next point. The process is repeated many times, creating dark dotted areas with different saturations, from which a flat or three-dimensional image is formed inside the material of the product or its part.

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. As equipment, the parameters of which provide the conditions necessary for creating an image inside a material without ionizing it, not only expensive and, as a rule, Q-switched lasers with Q-factor are used, but also other radiation sources, for example, lasers operating in free generation mode. Most preferred are pulsed YAG lasers.

В качестве карбонизирующихся полимерных материалов используют, например, поликарбонаты, сополимеры акрилонитрила с метилметакрилатом, сополимеры акрилонитрил с бутадиеном и стиролом, этролы. As carbonizable polymer materials, for example, polycarbonates, copolymers of acrylonitrile with methyl methacrylate, copolymers of acrylonitrile with butadiene and styrene, and ethrols are used.

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.Example. A pulsed YAG laser with a radiation wavelength of 1.06 μm, operating in a single-mode mode with a divergence of 10 ⁻³ rad, and a pulse repetition rate of up to 50 Hz is used as a radiation source. The radiation energy varies from 1 to 10 mJ using a attenuator. The laser operates in free-running mode with a pulse duration of 10 ^-4 s.

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.The radiation is focused by a lens with a focal length F 5 cm. The minimum spot size of the focused radiation is not more than 50 μm. An article of polycarbonate (Cyrolon) is irradiated with an absorption index of k 0.25 cm ^-1 at a wavelength of 1.06 μm.

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. As a result of exposure to radiation with an energy of 1 mJ focused in a region with a size of 50 μm, clearly visible homogeneous dark point regions with a size of 70 μm are obtained inside the material.

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. Many of these dark dotted areas formed according to a given program inside the polycarbonate volume create a clearly visible image in the product with a resolution of no worse than 250 dpi.

Описанным выше способом создают, подбирая желаемые сочетания темных точечных областей по интенсивности, размеру и плотности расположения в пространстве, изображения, состоящие из большого числа тонов. In the manner described above, creating, by selecting the desired combination of dark dotted areas in intensity, size and density in space, images consisting of a large number of tones.

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.Sources of information
1. Manenkov A.A. Prokhorov A.M. Success physical. sciences. 1986.V. 148. p.179; Ready GF 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 5206496у2. Encyclopedia of polymers, M. Sov. Encyclopedia. 1972.v. 1. p.956
3. US Patent N 4092518
4. Autosvid. USSR N 321425
5. USSR patent N 1838163
6. US Patent N 4822973
7. US Patent N 5206496y

Claims

1. The method of forming an image inside the material of the product or its part, transparent to electromagnetic radiation in the visible or infrared spectral ranges, which consists in forming an image from the point regions of increased absorption created by the action of a high-energy radiation beam focused inside the material of the product or its part, characterized the fact that the product or part thereof is made of a carbonizing polymer having an absorption index of less than 20 cm ^- ¹ , and the point regions of increased absorption form, using equipment that ensures the creation of a radiation beam whose energy density exceeds the energy density necessary for carbonization of the material, and the intensity of which is less than the intensity necessary for ionization of the material.

2. The product or its part, made of a spectrum that is transparent to electromagnetic radiation in the visible or infrared ranges of the material, inside which there is an image, characterized in that the material is a carbonizing polymer having an absorption index of less than 20 cm ^- ¹ , and the image consists of dark point areas of the same and / or different in intensity and / or size, located in space with the same and / or different density, and the image is made without violating the continuity of the material of the product.